DE69801057T2

DE69801057T2 - Verfahren zum schmieren bei der heissumformung von metallen

Info

Publication number: DE69801057T2
Application number: DE69801057T
Authority: DE
Inventors: E. Krajewski
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: General Motors Co
Priority date: 1997-07-22
Filing date: 1998-07-21
Publication date: 2001-11-15
Anticipated expiration: 2018-07-22
Also published as: JP2001511423A; WO1999005239A1; CN1265133A; JP3340725B2; BR9810783B1; CN1108359C; DE69801057D1; US5819572A; EP1007608B1; RU2169628C1; BR9810783A; EP1007608A1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung betrifft Formgebungsverfahren für bestimmte Metallegierungen, die bis zu Längungen verformt werden können, die typischerweise größer als zweihundert Prozent oder mehr sind. Insbesondere betrifft diese Erfindung eine Schmiermittelzusammensetzung zur Verwendung bei der Umformung von derartigen superplastischen Legierungen bei der erhöhten Temperatur mit gesteuerter Dehnungsrate.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es ist bekannt, daß bestimmte Metallegierungen, wie beispielsweise manche Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen, wenn sie zu einer sehr feinen Korngröße verarbeitet werden (z. B. < 10 u) auf eine relativ hohe Verarbeitungstemperatur erwärmt und einer gesteuerten Dehnungsrate ausgesetzt werden können, um Gesamtlängungen vor dem Versagen zu erzielen, die für Metalle recht hoch sind. Beispielsweise können Aluminiumlegierungen 5083 und 7475 und Titan-6%-Aluminium-4%-Vanadium- Legierungen in der Form von kaltgewalzten, feinkörnigen Blechen durch verschiedene Formgebungsvorgänge in einem einzigen Umformarbeitsgang zu ziemlich komplizierten Formen verarbeitet werden. Eine gute Diskussion derartiger Legierungen und der Praktiken, durch die Bleche geformt werden können, ist in dem Metals Handbook, 9. Ausgabe, Band 14, mit dem Titel "Forming and Forging", Seiten 852-868, in dem Abschnitt mit dem Titel "Superplastic Sheet Forming" zu finden.
In dem obigen Abschnitt des Metals Handbook sind etwa acht Aluminiumlegierungszusammensetzungen und 12 Titanlegierungszusammensetzungen beschrieben, für die superplastische Formbarkeit erzielt worden ist. Wenn die Aluminiumlegierungen beispielsweise auf eine Temperatur im Bereich von 400ºC bis 550ºC erwärmt und einer Dehnung mit einer Rate von 10&supmin;&sup4; bis 5 · 10&supmin;³ s&supmin;¹ ausgesetzt werden, werden Längungen von 400% bis 1200% erhalten. Wenn ähnlich die feinkörnigen Titanlegierungen bei Temperaturen im Bereich von 815ºC bis 1000ºC mit Dehnungsraten von 2 · 10&supmin;&sup4; bis 10&supmin;³ s&supmin;¹ verformt werden, werden Längungen im Bereich von 100% bis 1100% erreicht. Eine gemeinsame Eigenschaft dieser Legierungen ist, daß sie eine sehr feine metallurgische Korngröße in der Größenordnung von ungefähr 10 Mikrometern aufweisen und daß sie bei einer hohen Temperatur, die üblicherweise größer als die Hälfte der absoluten Schmelztemperatur ist, und mit einer gesteuerten Dehnungsrate, die gewöhnlich im Bereich von 10&supmin;&sup4; bis 102 s&supmin;¹ liegt, verarbeitet werden.
Derartige Legierungen werden gewöhnlich in Blechform mit einer Dicke von ungefähr einem bis drei Millimeter durch eine Anzahl von Formgebungsverfahren verarbeitet. Die folgenden Formgebungsverfahren sind mit derartigen superplastischen Legierungen verwendet worden: Druckluftformen, Vakuumformen, thermisches Formen, Streckformen und superplastisches Formen/Diffusionsverbinden und dergleichen. Im Grunde umfassen derartige Verfahren, daß ein Blech aus einer superplastischen, formbaren Legierung an seinen Rändern gegriffen wird, das Blech auf eine geeignete Temperatur zur superplastischen Formgebung erwärmt wird, und eine Seite des Blechs dem Nettodruck eines Arbeitsfluids ausgesetzt wird. Das erwärmte Blech wird somit mit einer geeigneten Dehnungsrate gestreckt, um das Blech gegen eine Formhohlraumoberfläche oder eine Werkzeugoberfläche auszudehnen. Derartige Praktiken sind im Detail im Abschnitt "Superplastic Sheet Forming" des oben genannten Bandes des Metals Handbook beschrieben.
Bei derartigen superplastischen Blechformgebungsvorgängen wird oft ein Schmiermittel/Trennmittel verwendet, um (a) eine Schmierung bereitzustellen, wenn das Blech auf einer Formgebungsoberfläche gleitet, oder (b) eine Abdeckschicht zwischen Abschnitten von zwei oder mehr darüberliegenden Blechen bereitzustellen, wo es erwünscht ist, nur eine örtliche Diffusionsverbindung zwischen den Blechen zu fördern, wenn sie eine Verformung erfahren, oder (c) ein geformtes Blechgeformte Bleche bei Abschluß des Umformarbeitsgangs von dem Gesenk- oder Werkzeugelement zu trennen. Für solche Zwecke ist Bornitrid oder Graphit angewandt worden.
Es ist natürlich immer von Wert, neue und verbesserte Schmiermittel/- Trennmittel für Blechformgebungsverfahren zu finden. Während Graphit und Bornitrid sich im allgemeinen als geeignet erwiesen haben, ist die Arbeit mit Graphit schmutzig und ergibt bei Abschluß des Umformarbeitsgangs ein Reinigungsproblem. Während Bornitrid ein geringeres Reinigungsproblem ergibt, ist es relativ teuer. Außerdem sind Graphit und Bornitrid tatsächlich für einige Blechformgebungssituationen zu schlüpfrig.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese Erfindung stellt ein Schmiermittel und eine Schmiermittelkombination zur Verwendung bei superplastischen Blechformgebungsvorgängen bereit. Das Schmiermittel/Trennmittel ist entweder Magnesiumhydroxid [Mg(OH)&sub2;], das allein verwendet wird, oder eine geeignete Mischung aus Magnesiumhydroxid und Bornitrid (BN). Diese Mischungen enthalten passenderweise mindestens 10 Gew.-% Magnesiumhydroxid.
Erfindungsgemäß wird Magnesiumhydroxid bevorzugt als sprühfähige, wäßrige Suspension angewandt (gewöhnlich eine Magnesiumoxidmilch). Ähnlich werden geeignete flüssige Suspensionen von Mischungen aus Magnesiumhydroxid und Bornitrid auf die Oberfläche des zu formenden Metalls oder des Formgebungswerkzeugs oder -gesenks gesprüht. Ein flüssiger Träger, wie beispielsweise Wasser oder Alkohol, wird so gewählt, daß er entweder bei Umgebungstemperatur oder beim Erwärmen des Blechs und des Werkzeugs auf eine passende Temperatur zur superplastischen Formgebung verdampfen wird. Beispielsweise wird bei der Formgebung der Aluminiumlegierung 5083 der Umformarbeitsgang bei ungefähr 500ºC durchgeführt. Während des Erwärmens des mit der Schmiermittelaufschlämmung beschichteten Werkstücks und Werkzeugs auf eine derart hohe Umformtemperatur wird der Wasser- oder Alkoholträger verdampft und es bleibt ein filmartiger, trockener Rückstand aus Mg(OH)&sub2; (oder MgO) und BN zurück. Sowohl das MgO als auch das BN behalten ihre gewünschten Schmiermitteleigenschaften bei den Umformtemperaturen für superplastische Aluminium- und Titanlegierungen.
Bekanntlich ist Bornitrid ein schlüpfriges Schmiermittel mit relativ niedriger Reibung. Jedoch ergeben Magnesiumhydroxid oder Magnesiumoxid abhängig von der Umformtemperatur einen höheren Reibungskoeffizienten, der bei vielen superplastischen Blechumformarbeitsgängen sehr nützlich ist. Wenn ein superplastisches Blech zu einer Pfannenform oder einer anderen komplexen Form verformt wird, erfahren unterschiedliche Bereiche des Blechs eine unterschiedliche Längung und können unterschiedliche Schmiermitteleigenschaften erfordern.
Manche Bereiche eines Blechs mit hoher Längung erfordern Eigenschaften eines relativ niedrigen Reibungskoeffizienten. Für diese Situation sind besonders Mischungen aus Magnesiumhydroxid und Bornitrid geeignet, die nur ungefähr 20 bis 50 Gew.-% Magnesiumhydroxid enthalten. Beispielsweise werden diejenigen Bereiche eines Blechs, von denen zu erwarten ist, daß sie auf einer Oberfläche einer Gesenkwand oder eines andern Formgebungswerkzeugs gleiten, geeignet mit einer derartigen Mischung versehen. Im Gegensatz dazu profitieren diejenigen Abschnitte eines Blechs, die sich falten und um einen scharfen Radius herum verformt werden, wie beispielsweise die Kante des Hohlraums, wo das Blech zu Beginn befestigt ist, von einem sehr hohen Anteil Magnesiumhydroxid. Es ist herausgefunden worden, daß Magnesiumhydroxid geeignete Barrieren- und Schmiermitteleigenschaften bereitstellt, um eine ziemlich schnelle Formgebung eines Aluminiumblechs um einen scharfen Radius herum ohne Reißen oder Lochbildung zu erleichtern.
Während es bevorzugt ist, Magnesiumhydroxid in einer wäßrigen Aufschlämmung zu verwenden, wäre es auch geeignet, einen Vorläufer von Magnesiumhydroxid, wie beispielsweise Magnesiumoxid, zu verwenden. Magnesiumhydroxid und Mischungen aus Magnesiumhydroxid und Bornitrid stellen ausgezeichnete Schmier-/Trenneigenschaften bei Blechumformtemperaturen bereit, insbesondere für superplastische Aluminiumlegierungen und superplastische Titanlegierungen. Außerdem kann der Rückstand von der Oberfläche des geformten Blechs leicht mit Seife und Wasser entfernt werden. Die Magnesiumoxidmilch ist offensichtlich relativ billig im Vergleich mit Bornitrid und liefert den Vorzug einer Kostenreduktion.
Andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus ihrer folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich werden. Es wird Bezug auf die Zeichnungen genommen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1A bis 1D zeigen vier Schritte bei der superplastischen Formgebung eines repräsentativen Aluminiumlegierungsbleches.

BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Eine praktische Ausführung der betreffenden Erfindung wird bei der Verformung der Aluminiumlegierung 5083 veranschaulicht, die im Handel in Blechform und in einem geeigneten metallurgischen Zustand zur superplastischen Verformung erhältlich ist. Während die praktische Ausführung der Erfindung in Verbindung mit der Formgebung der Aluminiumlegierung 5083 beschrieben wird, ist festzustellen, daß das betreffende Schmiermittel zur Verwendung bei der superplastischen Formgebung von anderen Aluminium- und Titanlegierungs-Blechzusammensetzungen bei Temperaturen bis zu rund 1000ºC geeignet ist.
Aluminiumlegierung 5083 weist eine nominale chemische Zusammensetzung auf das Gewicht bezogen von 4 bis 4,9 Prozent Magnesium, 0,4 bis 1 Prozent Mangan, 0,05 bis 0,25 Prozent Chrom, ungefähr 0,1 Prozent Kupfer auf, und der Rest ist im wesentlichen Aluminium mit Ausnahme von Verunreinigungen. Eine Gußbramme dieser Zusammensetzung wird typischerweise einer homogenisierenden Wärmebehandlung unterzogen, warmgewalzt, um eine lange Platte zu bilden, und dann kaltgewalzt, um ein langes Blech mit einer Enddicke im Bereich von ungefähr 1 bis 3 Millimetern zu bilden. Es kann eine abschließende Wärmebehandlung vorge- · sehen sein, so daß das Blech eine sehr feinkörnige Struktur aufweist. Geeignet geformte Rohlinge des superplastischen Blechmaterials können dann auf eine Temperatur im Bereich von 500ºC bis 540ºC erwärmt und Formgebungsvorgängen mit einer Dehnungsrate im Bereich von ungefähr 10&supmin;&sup4; bis 10&supmin;³ Sekunden&supmin;¹ unterzogen werden.
Die Fig. 1A bis 1D veranschaulichen schematisch eine praktische Ausführung zur Druckluft- oder Streckumformung eines Blechs aus superplastischer Aluminiumlegierung 5083. Ein geeignetes Druckluftformwerkzeug ist bei 10 im Querschnitt gezeigt. Das Formwerkzeug 10 umfaßt ein hohles Gesenkelement 12. Das hohle Gesenkelement 12 weist Teilumformungsflächen auf, die eine untere Oberfläche 14 und eine Wand 16 umfassen. Das Gesenk 12 definiert eine flache Pfanne, die beispielsweise einen kreisförmigen (wie gezeigt) oder einen anderen Querschnitt aufweisen kann. Ein komplementäres Arbeitsgas-Kammerelement 18 stellt eine Druckkammer 19 bereit, um ein Arbeitsgas oder ein anderes geeignetes, unter Druck stehendes Fluid einzuschließen. Ein Einlaßmittel 20 ist in dem Kammerelement 18 vorgesehen, um ein geeignetes Arbeitsgas, wie beispielsweise Luft oder Argon, einzuleiten.
Ein superplastisches, formbares Blech 22 aus Aluminiumlegierung 5083 ist zwischen dem Werkzeugelement 12 und dem Kammerelement 18 angeordnet. Die Elemente des Werkzeugs 12 und der Kammer 18 weisen komplementäre Dichtoberflächen 24 bzw. 26 auf, die derart ausgebildet sind, daß sie dichtend mit den oberen 28 und unteren 30 Oberflächen des Blechs 22 in Eingriff gelangen. Eine oder beide Oberflächen 24 und 26 können Dichtlippen oder dergleichen (nicht gezeigt) aufweisen, um dichtend mit den Rändern (oder Bundabschnitten) des Blechs 22 in Eingriff zu gelangen und somit einen Arbeitsdruck in der Kammer 19 zu einem geeigneten Zeitpunkt in dem Verfahren aufrechtzuerhalten. Dadurch wird verhindert, daß das Blech 22 an den Oberflächen 24 und 26 vorbei gezogen wird. Um an den Werkzeugoberflächen 14 und 16 umgeformt zu werden, erfolgt die gesamte Verformung des Blechs 22 durch Strecken der Abschnitte, die aus den Oberflächen 24 und 26 bestehen.
Wie es in Fig. 1A zu sehen ist, befindet sich ein nicht umgeformtes, aber superplastisch umformbares 5083-Blech 22 in einer Position zwischen dem Gesenkelement 12 und dem Kammerelement 18. Es sind Mittel (nicht gezeigt) vorgesehen, um sowohl das Werkzeug 10 als auch das Blech 22 auf eine geeignete Temperatur zur superplastischen Formgebung zu erwärmen. Während des Erwärmens wird Argongas mit Umgebungsdruck sowohl in der Kammer 19 als auch im Hohlraum 32 des Werkzeugs 12 gehalten, um das Blech vor atmosphärischer Korrosion geeignet zu schützen. Es ist ein Einlaß/eine Entlüftung 34 in dem Gesenk 12 vorgesehen, um Argon für diesen Zweck geeignet zu liefern und eine Entlüftung des Argons aus dem Hohlraum zuzulassen, wenn das Blech 22 gestreckt wird. Wenn das Werkzeug und das Blech eine superplastische Arbeitstemperatur erreicht haben, beispielsweise 500ºC für Aluminiumlegierung 5083, wird die Entlüftung in dem Hohlraum 34 geöffnet, und unter Druck stehendes Argon wird in die Kammer 19 eingeleitet. Argondruck wird auf die obere Oberfläche 28 des Blechs 22 aufgebracht, um es mit einer gesteuerten Dehnungsrate im Bereich von ungefähr 10&supmin;&sup4; cm/cm Sekunde bis 10- ³ cm/cm Sekunde zu strecken. Da Teile des Blechs eine Längung in der Größenordnung von 300% erfahren können, ist zu sehen, daß der Formgebungsprozeß relativ langsam ist. Dies ist der Grund dafür, daß jedes Schmiermittel oder andere Mittel, das angewandt werden kann, um die Rate des Formgebungsverfahrens zu erhöhen, die Wirkungsgrade verbessern wird.
Wie es in Fig. 1B gezeigt ist, hat der Druck (Pfeile 36) des Argons, der auf die obere Oberfläche 28 des Blechs 22 wirkt, begonnen, das Blech nach unten in Richtung der Wand 16 und des Bodens 14 des Werkzeugs 12 zu verformen. In Fig. 1 C ist der mittlere Abschnitt des Bodens 30 des Blechs 22 gerade mit der Bodenoberfläche 14 des hohlen Gesenks 12 in Eingriff getreten. Eine weitere Verformung, wie sie in Fig. 1D zu sehen ist, drückt das superplastisch formbare Blech gegen die Wände 14, 16 des Umformwerkzeugs 12.
Typischerweise sind zwei unterschiedliche Arten von Schmierung bei der Formgebung eines Blechs bei dieser Ausgestaltungsart nützlich. In dem Bereich, der am besten durch die Klammern 38 in Fig. 1B veranschaulicht ist, wird bewirkt, daß die untere Oberfläche 30 des Blechs 22 sich um die Lippe der Werkzeugoberfläche 24 herum biegt und formt. Im Bereich 38 ist ein Schmiermittel/Trennmittel mit einem relativ hohen Reibungskoeffizienten bevorzugt. Zu diesem Zweck ist die Verwendung von Magnesiumhydroxid allein als Schmiermittel bevorzugt. In dem in Fig. 1B mit 40 gezeigten Bereich wird die Oberfläche 30 mit den Formgebungsflächen des Werkzeugs 12 in Eingriff gelangen und auf diesen gleiten. Im Bereich 40 des Formbleches ist es erwünscht, daß eine bessere Schmierung vorhanden ist. Aus diesem Grund sind sprühfähige Aufschlämmungsmischungen aus Bornitrid und Magnesiumhydroxid bevorzugt, die 20% bis 60% Bornitrid enthalten.
Fig. 1D veranschaulicht den Abschluß der Formgebungsabfolge, die an dem Blech 22 in dem Werkzeug 10 ausgeführt wird. Es ist eine runde Pfannenstruktur mit gerader Wand gebildet worden. Dies ist eine starke Verformung des Blechs 22. Das Blech ist um die innenliegenden Ränder der Gesenkoberfläche 24 herum und in Anpassung an die Bodenfläche 14 und die vertikale Wand 16 verformt worden. Eine weitere Diskussion des Schmierungsaspektes des Formgebungsverfahrens folgt nachstehend.
Beim Abschluß des Umformarbeitsgangs wird das obere Werkzeugkammerelement 18 aus dem Eingriff mit der oberen Oberfläche 28 des Blechs 22 angehoben, und die geformte Tafel wird aus dem unteren Werkzeugelement 12 entfernt. Das Schmiermittel dient auch dazu, beim Trennen des geformten Teils von den Werkzeugoberflächen zu helfen. Da die Umformverarbeitung zeitraubend ist, ist es erwünscht, das Teil zu entfernen, während es noch auf einer recht hohen Temperatur liegt, um Wiederaufheizzeit des Werkzeugs und Verarbeitungszeit bei der Vorbereitung für das nächste zu formende Teil zu sparen.
Diese Erfindung stellt die Verwendung von Magnesiumhydroxid und Mischungen aus Magnesiumhydroxid mit Bornitrid in Anteilen von bis zu 90 Gewichtsprozent Bornitrid in Verbindung mit der Umformung von superplastischen, formbaren Aluminium- oder Titanlegierungsblechen bereit. Der Anteil von Bornitrid, falls vorhanden, der in dem Schmiermittel enthalten ist, hängt wie oben vorgeschlagen von den Anforderungen des Umformarbeitsgangs selbst ab. Bei vielen Anwendungen ist Magnesiumhydroxid für Biegearbeitsgänge und Arbeitsgänge mit geringer Längung geeignet. In anderen Fällen, wo die Dehnung an dem Teil stark ist und bessere Schmierungseigenschaften erforderlich sind, kann es erwünscht sein, ein Übergewicht des Bornitrids zu verwenden. Beträchtliche Mengen Magnesiumhydroxid können mit Bornitrid verwendet werden, um im wesentlichen das gleiche Schmiervermögen wie Bornitrid aber zu niedrigeren Kosten bereitzustellen. Die Materialien können besonders in einem Wasser- oder Alkoholträger leicht gemischt werden. Sie sind in diesen Flüssigkeiten im wesentlichen nicht löslich. Es gibt kein Problem beim Mischen von diesen in jedem gewünschten Anteil und in einer hinreichend suspendierenden Flüssigkeit, so daß sie sprühfähig ist. Nachdem sie auf der Oberfläche getrocknet worden sind und der Umformarbeitsgang abgeschlossen worden ist, können die Schmiermittel unter Verwendung von Wasser leicht von dem geformten Teil entfernt werden. Die Schmiermittel sind während der ganzen Verarbeitung sauber und leicht zu verwenden.
Bei Untersuchungen, die bei der praktischen Ausführung der Erfindung durchgeführt worden sind, wurde eine herkömmliche Milch aus Magnesiumoxid, Mg(OH)&sub2;, alleine oder vermischt mit einer Qualitätsklasse Bornitrid, das als eine loses Formtrennmittel erhalten wird, verwendet. Die wäßrige Milch aus Magnesiumoxid/ Bornitrid-Mischungen wurde mit Alkohol verdünnt und auf die Blechoberfläche mit einer handbetätigten Niederdruckzufuhr-Sprüheinrichtung mit hohem Volumen aufgebracht. Die Lösung wurde auf den superplastischen, formbaren Rohling aufgesprüht und konnte trocknen. Es ist gewöhnlich wichtig, daß der Schmiermittelfilm so gleichmäßig wie möglich aufgebracht wird, um einen Aufbau auf den Werkzeugen zu vermeiden, der die Oberflächenqualität des Teils beeinträchtigen könnte. Die Magnesiumyhydroxid- oder Magnesiumhydroxid/Bornitrid-Schmiermittelmischungen wurden von geformten Tafeln unter Verwendung von Seife und Wasser entfernt. Es trat keine Flockung des Schmiermittels oder eine Übertragung zum Bediener auf.
Es wurden Reibungstests ersonnen, um Umformarbeitsgänge zu simulieren.
Es sind Reibungsdaten von Magnesiumhydroxid und Mischungen aus Magnesiumhydroxid mit Bornitrid unter Bedingungen erhalten worden, die dafür entworfen sind, Bedingungen einer superplastischen Formgebung zu simulieren. Die Untersuchung umfaßte das Aufbringen des Schmiermittels, wie oben beschrieben, auf ein Blech aus Aluminiumlegierung 5083. Das mit Schmiermittel beschichtete Blech wurde in Kontakt mit einer rotierenden Stahlplatte gebracht, um einen Umformarbeitsgang zu simulieren. Die Untersuchungen wurden bei 500ºC mit einer Last von 200 Newton auf dem mit Schmiermittel beschichteten Blech und mit Simulation einer Dehnungsrate von 5 · 10&supmin;&sup4;/Sekunde durchgeführt. Die Untersuchungen bestimmten einen Reibungskoeffizienten als eine Funktion der verstrichenen Zeit bis zu ungefähr sechs Minuten für die verschiedenen Schmiermittel, um einen Umformarbeitsgang dieser Dauer zu simulieren.
Es wurden Reibungsuntersuchungen mit Mischungen aus Magnesiumhydroxid und Bornitrid in den folgenden Verhältnissen durchgeführt: 0 : 1, 1 : 4, 1 : 1, 4 : 1 und 1 : 0, was Proben ergab, die 0, 20, 50, 80 und 100 Prozent Magnesiumhydroxid aufwiesen. Reines Magnesiumhydroxid und ein 80/20-Gemisch aus Magnesiumhydroxid mit Bornitrid zeigten über die Zeitdauer der Untersuchung einen höheren Reibungskoeffizienten als unverdünntes Bornitrid. Jedoch wurde ein sehr geringer Unterschied des Reibungskoeffizienten zwischen reinem Bornitrid und Bornitrid mit 20% und 50% Magnesiumhydroxid beobachtet. Dies zeigt, daß ein mit Mg(OH)&sub2; verdünntes Bornitrid ungefähr die gleiche Schmierfähigkeit in dem superplastischen Umformarbeitsgang wie reines Bornitrid liefern würde. Jedoch würde das mit Magnesiumhydroxid verdünnte Bornitrid Kosteneinsparungen bewirken.
Es wurden superplastische Formgebungsexperimente unter Verwendung von Magnesiumhydroxid als ein Schmiermittel/Trennmittel an zwei Gesenken durchgeführt, die Umformbedingungen simulierten, auf die man bei kommerziellen superplastischen Umformarbeitsgängen stößt.
Das erste Gesenk (Pfanne 1) war eine flache Pfanne, ungefähr 50 mm tief, die wie das hohle Gesenk 12 der Fig. 1A-1D mit einem sehr scharfen (2,0 mm) Gesenkeintrittsradius geformt war. Die Gesamtdehnung in einem Teil mit dieser Ausgestaltung ist relativ niedrig (0,7 maximale echte Dickendehnung). Jedoch schufen diese scharfen Eintrittsradien eine einzigartige Umformbedingung. Ein Versagen eines Teils tritt im allgemeinen in diesen Teil durch Einschnüren oder Trennen unter dem Eintrittsradius auf.
Es wurden Versuche zur superplastischen Formgebung mit einer Ausgestaltung der Pfanne 1 durchgeführt, um ein Schmiermittel zu bestimmen, das ein annehmbares Teil mit der schnellsten Taktzeit am besten erzeugen konnte. Die untersuchten Schmiermittel umfaßten Graphit, Bornitrid, Magnesiumhydroxid und Talg [Mg&sub3;Si&sub4;O&sub1;&sub0;(OH)&sub2;]. Das 100% Magnesiumhydroxid ergab eine signifikante Verbesserung bei der Formbarkeit und eine reduzierte Taktzeit im Vergleich mit den stark schmierfähigen Materialien - Graphit und Bornitrid. Mit Graphit oder Bornitrid als das Schmiermittel war die schnellste Taktzeit, die ohne jedes Einschnüren verwendet werden konnte, achtmal länger als die Zeit, die erforderlich war, um eine Ausgestaltung der Pfanne 1 mit Magnesiumhydroxid zu bilden. Talg erzeugte ebenfalls ein gutes Teil in ungefähr dem gleichen Takt wie das Magnesiumhydroxid. Jedoch war die Arbeit mit Talg schmutzig, gab Schwebeteilchen ab und ergab einen Aufbau auf dem Gesenk. Somit hat das Magnesiumhydroxidschmiermittel mit hohem Reibungskoeffizienten besonderen Nutzen bei der Umformung von Teilen mit scharfen Gesenkeintrittsradien, um schnelle Umformzeiten zu erzielen.
Es wurde eine zweite Teilausgestaltung untersucht (Pfanne 2). Pfanne 2 ist ein Werkzeug, das eine Pfanne mit einer tiefen (125 mm), geraden Wand, aber mit großzügigen Eintrittsradien (25,4 mm) aufweist. Diese Pfanne erforderte hohe Dehnungen (1,3 - 1,5 echte Dickendehnung), um das Teil zu bilden. Teile der Pfanne 2 versagen durch übermäßige Hohlraumbildung oder Spaltung in den unteren Ecken der Pfanne.
Versuche einer superplastischen Formgebung wurden mit der Ausgestaltung der Pfanne 2 durchgeführt, um zu bestimmen, ob Magnesiumhydroxid eine geeignete Formgebung der unteren Ecken ohne Spaltung oder wesentliche Hohlraumbildung ermöglichte. Die Verwendung von Magnesiumhydroxid als das Formgebungsschmiermittel führte zu einer gewissen Hohlraumbildung in der unteren Ecke. Jedoch führte die Verwendung einer 70 Bornitrid/ 30 Magnesiumhydroxid-Mischung (Gewichtsteile) zu einer erfolgreichen Teilformgebung ohne sichtbare Hohlraumbildung. Während reines Bornitrid das Teil auch erfolgreich formen könnte, liefert das verdünnte Bornitridschmiermittel mit Magnesiumhydroxid eine kostengünstige Alternative.
Zusätzlich zur verbesserten Formbarkeit sind Magnesiumhydroxid und Magnesiumhydroxid/Bornitrid-Mischungen sauberer zu verwenden als Graphit. Mit Graphitschmiermittel beschichtete Teile erzeugen während des Entfernens des Teils viele Schwebstoffe. Es wird keine Flockenbildung von Magnesiumhydroxid oder Magnesiumhydroxid/Bornitrid-Mischungen beobachtet. Jegliches Übersprühen der Mischung während der Aufbringung kann mit Seife und Wasser leicht gereinigt werden. Nach der Formgebung mit Magnesiumhydroxid/Bornitrid-Mischungen kann das Restmaterial von dem Teil durch Schrubben leicht mit Seife und Wasser entfernt werden. Das Entfernen von Graphit erfordert ein Waschen mit Säure oder ein Dampfstrahlen.
Die Verwendung von Magnesiumhydroxid und Magnesiumhydroxid/Bornitrid-Mischungen ist bei der superplastischen Umformung von Aluminium- und Titanlegierungs-Blechmaterialien förderlich. Es ist wahrscheinlich, daß einige Teile Bereiche aufweisen werden, bei denen unterschiedliche Schmiermitteleigenschaften notwendig sind, die unterschiedliche Kombinationen von Mg(OH)&sub2; und BN erfordern. Magnesiumhydroxid und Bornitrid können unter Verwendung eines Doppelzufuhrsystems aufgebracht werden, wobei das Magnesiumhydroxid und Bornitrid vor dem Sprühen in einem gewünschten Verhältnis gemischt werden. Das Verhältnis kann während der Aufbringung verändert werden, um einen Blechrohling mit ausgewählten Bereichen von relativ hoher und relativ niedriger Reibung zu erzeugen.
Somit stellt diese Erfindung eine Schmiermittelkombination bereit, die bei den hohen Temperaturen einer supraplastischen Formgebung von Aluminiumlegierungs- und Titanlegierungsblechen verwendet werden kann. Sie kann in praktisch jeder Variante der Verfahren benutzt werden, die bei der superplastischen Formgebung von Blechmaterialien angewandt werden. Während die Erfindung anhand einer besonderen Ausführungsform derselben beschrieben worden ist, ist festzustellen, daß andere Formen leicht von einem Fachmann angepaßt werden könnten. Dementsprechend ist der Schutzbereich der Erfindung als nur durch die folgenden Ansprüche begrenzt anzusehen.

Claims

Bei dem Verfahren zum Umformen eines Blechs (22) aus einer superplastischen Aluminium- oder Titanlegierung, indem eine Seite (30) der Blechs in Anpassung an die Oberfläche (14, 16) eines Formgebungswerkzeugs oder -gesenks (10) gedrückt wird, wobei das Verfahren umfaßt, daß das Blech (22) auf eine Temperatur zur superplastischen Formgebung erwärmt wird, ein Schmiermittel/Trennmittel aufgebracht wird auf mindestens eine von (a) die Oberfläche (14, 16) des Formgebungswerkzeugs oder -gesenks (10) und (b) die Seite (30) des Blechs (22), Fluiddruck auf die andere Seite (28) des Blechs (22), um das Blech mit einer superplastischen Dehnungsrate in Anpassung an die Werkzeug- oder Gesenkoberfläche zu verformen, und danach das verformte Blech von der Werkzeug- oder Gesenkoberfläche entfernt wird, ist die Verbesserung, daß das Schmiermittel/Trennmittel, wie es aufgebracht wird, Magnesiumshydroxid oder Mischungen aus Magnesiumhydroxid und Bornitrid, die mindestens zehn Gewichtsprozent Magnesiumhydroxid enthalten, umfaßt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die superplastische Metallegierung eine Aluminiumlegierung ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die superplastische Metallegierung Aluminiumlegierung 5083 ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schmiermittel/Trennmittel eine Aufschlämmung aus Magnesiumhydroxid in einem nicht lösenden, flüssigen Bindemittel ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schmiermittel/Trennmittel eine Aufschlämmung aus Magnesiumhydroxid und Bornitrid in einem nicht lösenden, flüssigen Bindemittel ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Blech (22) einen Bereich (38) umfaßt, der relativ wenig Längung erfährt, und Magnesiumhydroxid auf diesen Bereich aufgebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Blech (22) einen Bereich (40) umfaßt, der beträchtliche Längung erfährt, und eine Mischung aus Magnesiumhydroxid und Bornitrid, die 50 Gewichtsprozent oder mehr Bornitrid umfaßt, auf den Bereich aufgebracht wird.