EP0508434B1 - Verfahren zum Herstellen von Strangpressprofilteilen - Google Patents

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EP0508434B1
EP0508434B1 EP92106183A EP92106183A EP0508434B1 EP 0508434 B1 EP0508434 B1 EP 0508434B1 EP 92106183 A EP92106183 A EP 92106183A EP 92106183 A EP92106183 A EP 92106183A EP 0508434 B1 EP0508434 B1 EP 0508434B1
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matrix composite
metal matrix
extrusion
composite
metal
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EP92106183A
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Hans Peter Dipl.-Ing. Dr. Degischer
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Oesterreichisches Forschungszentrum Seibersdorf GmbH
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Oesterreichisches Forschungszentrum Seibersdorf GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C33/00—Feeding extrusion presses with metal to be extruded ; Loading the dummy block
    • B21C33/004—Composite billet
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C23/00—Extruding metal; Impact extrusion
    • B21C23/22—Making metal-coated products; Making products from two or more metals

Definitions

  • the invention relates to a method for producing extruded profile parts according to the preamble of patent claim 1 and to a composite extruded bolt for use in such a method according to the preamble of patent claim 8.
  • the composite extrusion bolt is formed from a metal matrix composite body as a bolt core, on the outside of which the monolithic metal body is arranged such that, after extrusion, the material of the monolithic metal body lies on the surface of the extruded profile part formed.
  • Metallic extruded profiles e.g. long products, are generally made of relatively soft wrought alloys such as light metals, e.g. Aluminum, copper, etc., extruded at elevated temperature.
  • extruded profile parts are solid, ie completely made of aluminum alloys, which are homogeneously interspersed with fine ceramic or glass particles, ie Manufacture particle-reinforced aluminum matrix composite materials that have a high wear resistance compared to other metals, plastics, glasses and natural and technical ceramics.
  • Such aluminum matrix composite materials also have a high resistance to erosive stress from a wide variety of materials.
  • Aluminum matrix composite materials which are still mixed with carbon or graphite particles or carbon or graphite short fibers, also have good sliding properties.
  • the wear resistance or these sliding properties can be matched to the wear partner on the one hand by the choice of the component embedded in the aluminum matrix and on the other hand can be selected by appropriately setting the size distribution and the shape of the reinforcement component.
  • particle-reinforced aluminum matrix composites generally do not achieve the high mechanical characteristics of high and extremely strong aluminum alloys, they have lower ductility and fracture toughness and reduced thermal and electrical conductivity.
  • the object on which the invention is based is therefore to create a method for producing extruded profile parts of the type mentioned at the outset, with which extruded profile parts with high mechanical characteristics on the one hand and high surface wear resistance on the other hand can be produced in one operation.
  • the desired surface wear resistance is achieved in that a surface layer is formed from the material of the metal matrix composite body when the composite extrusion bolt is extruded. This is done in one operation with the shaping extrusion, without an additional manufacturing step being required after the extrusion. Due to the arrangement of the metal matrix composite body on the end face of the composite extrusion bolt, there is also good welding between the individual layers of the resulting extruded profile part, which is caused by the fact that the transition surface between the metal matrix composite body and the monolithic metal body in the extruder lies in the area in which the Gradient of the flow rate of the materials to be pressed is greatest, so that there is a kind of friction welding. In this way, the high mechanical characteristics of the extruded profile parts are achieved.
  • the composite extrusion bolt according to the invention for use in the method according to the invention is designed as it is given in claim 8.
  • a composite extruded bolt (1) is first produced which, depending on the geometric and mechanical requirements of the end products, for example from a bolt core (2) in Form of a monolithic metal body from a conventional wrought alloy, which forms the profile body (3), for example from an aluminum alloy Types 1xxx, 2xxx, 3xxx, 5xxx, 6xxx, 7xxx and a matrix metal composite body (4) which is embedded in the bolt core and consists of a matrix composite material, for example an aluminum matrix composite material, which has the surface properties desired for the finished product Has.
  • the metal matrix composite can contain ceramic reinforcements or graphite reinforcements in particle or short fiber form.
  • the parts of the extrusion pin i.e. the core (2) and the composite body (4) are manufactured separately and assembled so that the combined composite extrusion bolt (1) can be heat-treated and introduced into a conventional extrusion system.
  • the extrusion process which corresponds to the normal extrusion for profile parts made of monolithic wrought alloys, results in an end product, i.e. a profile part with the local or peripheral edge reinforcement (5) shown in the drawing.
  • the so-called dead zone in front of the extrusion tool is used, in which the edge region of the extrusion bolt swirls and jams, so that its material is smeared over the extruded profile part.
  • the method thus provides extruded profile parts, the surfaces of which are completely or wear-resistant in certain areas due to the aluminum matrix composite material, the properties of the load-bearing profile core made from the purely metallic alloy, in particular its mechanical properties, to the end product, i.e. the profile part formed are retained.
  • the extrusion of the extrusion billet from the at least two materials that form the core and the at least one composite body takes place directly or indirectly.
  • the geometric shape of this composite depends on the extrusion technique, the type and shape of the tool, the flowability of the materials and the desired geometric shape of the surface areas, which have the desired properties demonstrate.
  • the achievable layer thicknesses are unlimited and can cover the entire cross-section or only 1/10 mm thick.
  • the surface layers can also vary from 0 to 100% of the cross section along the circumference of a profile.
  • the surface or reinforcement layer made of a metallic matrix composite material adapted to the material of the core welds to the core during the extrusion process, mechanical stresses at the interface can be reduced and chipping of the surface layer under mechanical and / or thermal stress can thus be avoided .
  • the material of the surface layer also provides sufficient ductility for further deformation or impact stress on the profile part.
  • the surface layer can be applied to both inside and outside of hollow chamber profiles. It increases the wear resistance to all materials, locally reduces the thermal expansion (depending on the layer thickness) and increases the stiffness of the profile, especially if it is attached to the outside. Furthermore, the crack propagation is delayed by the reinforcement layer.
  • one or more composite bodies can be embedded in the boise core of the composite extrusion bolt.
  • the composite body is provided in particular via a front part in the axial direction, for example as a closing end disk, as is the case with the first two examples in the drawing from above.
  • annular composite bodies can be provided for forming inner and outer layers in hollow profile parts, as is the case with the third Example from above, an axially central composite body can be embedded coaxially over a certain distance to form an internally reinforced hollow profile in the bolt core, as is the case with the fourth example from above, or one or more composite bodies can be embedded over certain distances be provided in the axial direction over a certain area of the cross section of the composite extrusion bolt, as is the case with the last two examples.
  • the material of the metal matrix composite body lies on the surface of the extruded profile parts formed and materials can be selected for metal matrix composite bodies which have a lower coefficient of thermal expansion than the pure metal or alloy material of the monolithic metal body, it can be achieved that the thermal expansion coefficient of Surface area of the extruded profile parts, for example, comes close to the coefficient of thermal expansion of steel.
  • the extruded profile parts to be connected to steel parts are to be produced or if steel parts are to be replaced in constructions by the extruded profile parts produced. This is advantageous in that the extruded profile parts have a lower weight than steel parts.
  • the materials of the metal matrix composite body are more brittle than pure metals or alloys. They tend to initiate cracks (material fatigue, stress corrosion cracking, etc.). This danger can be countered by carrying out a heat treatment after the extrusion, in which the extruded profile parts are aged under heat, that is, for example, subjected to a heat treatment to a temperature of 175 ° C. or more over a period of hours, so that they are relieved of internal stresses become, and then cooled very quickly, for example quenched.
  • the metal core made of the monolithic metal body has a higher coefficient of thermal expansion than the surface layer or edge layer made of the material of the metal matrix composite body, the metal core will want to contract more when cooling in the direction of the longitudinal axis of the extruded profile part than the surface layer made of the material of the metal matrix. Allows composite body. This has the consequence that the surface layer made of the material of the metal matrix composite body under a compressive stress, i.e. a compressive preload comes while the core made of the material of the monolithic metal body comes under a corresponding tensile stress (tensile preload).
  • a rod with a cross-sectional area of the metal core of 90 mm2 made of an alloy AA 6061 (Aluminum Association Norm USA) and a cross-sectional area of 10 mm2 one Surface layer made of an aluminum matrix composite body with silicon carbide (SiC) and aluminum oxide Al2O3 was outsourced so that it is free of internal stresses at 175 ° C, and then cooled very quickly to 20 ° C. In order to reduce the compressive prestress of the surface layer from the material of the metal matrix composite body in the longitudinal direction of the rod, a tensile force of 7300 N had to be applied.
  • the temperature expansion coefficient of 22x10 ⁇ 6 ⁇ K ⁇ 1 to 23x10 ⁇ 6 ⁇ K ⁇ 1 for the metal material and 16x10 ⁇ 6 ⁇ K ⁇ 1 to 19x10 ⁇ 6 ⁇ K ⁇ 1 lies.
  • the coefficient of thermal expansion of the metal material was 23x10 ⁇ 6 ⁇ K ⁇ 1 and that of the material of the metal matrix composite body was 19.5x10 ⁇ 6 ⁇ K ⁇ 1.
  • the modulus of elasticity of the alloy material was 70 kN per mm2 and the material of the metal matrix composite body was 95 kN per mm2.
  • the aging temperature was 175 ° C, the aging time 2 to 30 h.
  • the cooling was carried out with water or with the aid of a blower to 20 ° C. in a short time, the measured compressive stress on the surface was 50 to 150 MPa.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
  • Extrusion Of Metal (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Strangpreßprofilteilen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen Verbundstrangpreßbolzen zur Verwendung bei einem derartigen Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
  • Ein derartiges Verfahren zum Herstellen von Strangpreßprofilteilen sowie ein derartiger Verbundstrangpreßbolzen sind aus der EP-A-0105112 bekannt.
  • Aus der JP-PS 61-147 917 ist ein derartiges Verfahren bekannt, das dazu dient, faserverstärkte Metallstrangpreßprofilteile herzustellen, die mit einem Metallüberzug versehen sind. Dazu wird der Verbundstrangpreßbolzen aus einem Metallmatrix-Verbundkörper als Bolzenkern gebildet, an dessen Außenseite der monolithische Metallkörper angeordnet wird, derart, daß nach dem Strangpressen das Material des monolithischen Metallkörpers an der Oberfläche des gebildeten Strangpreßprofilteils liegt.
  • Metallische Strangpreßprofilteile, beispielsweise Langfabrikate, werden im allgemeinen aus relativ weichen Knetlegierungen wie Leichtmetallen, z.B. Aluminium, Kupfer usw., im Strangpreßverfahren bei erhöhter Temperatur hergestellt.
  • Für einige Anwendungsfälle, beispielsweise als Raupenprofile und insbesondere Pistenraupenprofile, als Führungsschienen und Rohre, Hebel, Achsen und Trittleisten auf dem Gebiet der Kettenfahrzeuge und sonstiger Nutzfahrzeuge, auf dem Gebiet des Maschinenbaus und des Motorenbaus sowie als verschleißbeanspruchte Bauteile im Bauwesen und im Turbinen- und Ventilatorbau weisen derartige Strangpreßprofilteile eine zu geringe Verschleißbeständigkeit auf.
  • Um derartige Produkte an ihrer Oberfläche zu härten, werden üblicherweise chemische oder physikalische Verfahren wie beispielsweise Anodisationsverfahren, galvanische Beschichtungsverfahren, Plasmasprühverfahren, physikalische und chemische Bedampfungsverfahren und Pulverbeschichtungsverfahren angewandt.
  • Weiterhin ist es bekannt, derartige Strangpreßprofilteile massiv, d.h. vollständig aus Aluminiumlegierungen, die homogen mit feinen Keramik- oder Glasteilchen durchsetzt sind, d.h. aus teilchenverstärkten Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffen herzustellen, die gegenüber anderen Metallen, Kunststoffen, Gläsern und natürlichen sowie technischen Keramiken eine hohe Verschleißfestigkeit haben. Derartige Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe haben gleichfalls eine hohe Beständigkeit gegenüber einer erosiven Beanspruchung durch verschiedenste Stoffe.
  • Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe, die weiterhin mit Kohle- oder Graphitteilchen bzw. Kohle- oder Graphitkurzfasern versetzt sind, haben darüberhinaus gute Gleiteigenschaften. Die Verschleißfestigkeit bzw. diese Gleiteigenschaften können auf den Verschleißpartner einerseits durch die Wahl der in die Aluminiummatrix eingebetteten Komponente abgestimmt werden und können andererseits durch eine entsprechende Einstellung der Größenverteilung und der Form der Verstärkungskomponente gewählt werden.
  • Teilchenverstärkte Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe erreichen jedoch im allgemeinen nicht die hohen mechanischen Kennwerte hoch und höchst fester Aluminiumlegierungen, sie haben eine geringere Duktilität und Bruchzähigkeit sowie eine verminderte thermische und elektrische Leitfähigkeit.
  • Es ist weiterhin bekannt, Langfabrikate aus Werkstoffverbunden durch Koextrusion der zu verbindenden Werkstoffe zu erzeugen.
  • Die Verfahren der Beschichtung von Metallprofilteilen mit anderen Stoffen, insbesondere mit chemischen Verbindungen keramischer Art liefern Produkte, die spröde und gegenüber schlagartigen mechanischen Beanspruchungen und gegenüber plastischen Verformungen empfindlich sind. Die im allgemeinen stark unterschiedlichen Temperaturausdehnungs-Koeffizienten der beteiligten Materialien, d.h. des metallischen Körpers einerseits und der Beschichtung andererseits, führen darüberhinaus bei Temperaturschwankungen zu hohen lokalen mechanischen Spannungen und damit oftmals zum Abplatzen der Beschichtung.
  • Da jedes Beschichtungsverfahren einen zusätzlichen Herstellungsschritt darstellt, der im allgemeinen kostenintensiv ist, ist die Beschichtung der Metallkörper zur Erzielung bestimmter Oberflächeneigenschaften darüberhinaus vom ökonomischen Standpunkt aus ungünstig.
  • Mechanische Nachbearbeitungen an beschichteten Produkten sind weiterhin nur sehr begrenzt möglich, da die Schichtdicken infolge der Auftragsverfahren und der Haftungsgrenzen auf Größenordnungen von 1/10 mm beschränkt sind.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, ein Verfahren zum Herstellen von strangpreßprofilteilen der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem Strangpreßprofilteile mit einerseits hohen mechanischen Kennwerten und andererseits mit hoher Oberflächenverschleißfestigkeit in einem Arbeitsgang hergestellt werden können.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst, durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die gewünschte Oberflächenverschleißfestigkeit dadurch erzielt, daß beim Strangpressen des Verbundstrangpreßbolzens eine Oberflächenschicht aus Material des Metallmatrixverbundkörpers ausgebildet wird. Das erfolgt in einem Arbeitsgang mit dem formgebenden Strangpressen, ohne daß nach dem Strangpressen ein zusätzlicher Herstellungsschritt erforderlich ist. Aufgrund der Anordnung des Metallmatrixverbundkörpers an der Stirnseite des Verbundstrangpreßbolzens ergibt sich darüberhinaus eine gute Verschweißung zwischen den einzelnen Schichten des resultierenden Strangpreßprofilteils, die dadurch verursacht wird, daß die Übergangsfläche zwischen dem Metallmatrixverbundkörper und dem monolithischen Metallkörper in der Strangpresse in dem Bereich liegt, in dem der Gradient der Fließgeschwindigkeit der auszupressenden Materialien am größten wird, so daß es zu einer Art Reibschweißung kommt. In dieser Weise werden die hohen mechanischen Kennwerte der Strangpreßprofilteile erzielt.
  • Besonders bevorzugte Ausbildungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verfahren sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 7.
  • Der erfindungsgemäße Verbundstrangpreßbolzen zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist so ausgebildet, wie es im Patentanspruch 8 an gegeben ist.
  • Besonders bevorzugte Ausbildungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verbundstrangpreßbolzens sind Gegenstand der Patentansprüche 9 und 10.
  • Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.
  • Die einzige Figur der Zeichnung zeigt Längsschnittansichten von verschiedenen Strangpreßbolzen sowie Profil-Querschnittsansichten der mit diesen Strangpreßbolzen hergestellten Profilteile.
  • Wie es in der Zeichnung dargestellt ist, wird bei dem Verfahren zum Herstellen von strangpreßprofilteilen aus Leichtmetallegierungen, beispielsweise aus Aluminiumlegierungen, zunächst ein Verbundstrangpreßbolzen (1) hergestellt, der je nach den geometrischen und mechanischen Anforderungen der Endprodukte, beispielsweise aus einem Bolzenkern (2) in Form eines monolithischen Metallkörpers aus einer herkömmlichen Knetlegierung, der den Profilkörper (3) bildet, beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung des Typs 1xxx, 2xxx, 3xxx, 5xxx, 6xxx, 7xxx und einem Matrixmetall-Verbundkörper (4) besteht, der in den Bolzenkern eingebettet ist und aus einem Matrix-Verbundwerkstoff, beispielsweise einem Aluminiummatrix-Verbundwerkstoff besteht, der die für das fertige Produkt gewünschten Oberflächeneigenschaften hat. Der Metallmatrix-Verbundwerkstoff kann keramische Verstärkungen oder Graphitverstärkungen in Teilchen- oder Kurzfaserform enthalten.
  • Die Teile des Strangpreßbolzens, d.h. der Kern (2) sowie der Verbundkörper (4) werden getrennt gefertigt und so zusammengefügt, daß der kombinierte Verbundstrangpreßbolzen (1) wärmebehandelt und, in eine herkömmliche Strangpreßanlage eingebracht werden kann. Durch den Strangpreßvorgang, der dem normalen Strangpressen für Profilteile aus monolithischen Knetlegierungen entspricht, ergibt sich ein Endprodukt, d.h. ein Profilteil mit der in der Zeichnung dargestellten örtlichen oder peripheren Randverstärkung (5). Dabei wird die sogenannte tote Zone vor dem Strangpreßwerkzeug ausgenutzt, in der der Randbereich des Strangpreßbolzens sich verwirbelt und staut, so daß sein Material über dem Strangpreßprofilteil verschmiert wird.
  • Das Verfahren liefert somit Strangpreßprofilteile, deren Oberflächen durch den Aluminiummatrix-Verbundwerkstoff vollständig oder an bestimmten Bereichen verschleißfest sind, wobei die Eigenschaften des tragenden Profilkerns aus der rein metallischen Legierung insbesondere seine mechanischen Eigenschaften dem Endprodukt, d.h. dem gebildeten Profilteil erhalten bleiben.
  • Das Strangpressen des Strangpreßbolzens aus den wenigstens zwei Werkstoffen, die den Kern und den wenigstens einen Verbundkörper bilden, erfolgt direkt oder indirekt. Die geometrische Form dieses Verbunds richtet sich nach der Strangpreßtechnik, der Werkzeugart und -form, der Fließfähigkeit der Werkstoffe und der gewünschten geometrischen Form der Oberflächenbereiche, die die gewünschten Eigenschaften zeigen.
  • Die erzielbaren Schichtdicken sind dabei unbegrenzt und können den gesamten Querschnitt erfassen oder nur 1/10 mm stark sein. Die Oberflächenschichten können entlang des Umfanges eines Profils auch von 0 bis 100 % des Querschnitts variieren.
  • Da die Oberflächen- oder Verstärkungsschicht aus einem dem Werkstoff des Kernes angepaßten metallischen Matrix-Verbundwerksttoff mit dem Kern während des Strangpreßvorganges verschweißt, können mechanische Spannungen an der Grenzfläche abgebaut werden und kann somit ein Abplatzen der Oberflächenschicht bei einer mechanischen und/oder thermischen Belastung vermieden werden. Das Material der Oberflächenschicht liefert darüberhinaus eine ausreichende Duktilität für eine weitere Verformung oder Schlagbeanspruchung des Profilteils.
  • Wie es in der Zeichnung dargestellt ist, kann die Oberflächenschicht bei Hohlkammerprofilen sowohl innen als auch außen angebracht werden. Sie erhöht die Verschleißfestigkeit gegenüber allen Materialien, vermindert lokal die Wärmeausdehnung (je nach Schichtstärke) und erhöht die Steifigkeit des Profils, insbesondere, wenn sie an der Außenseite angebracht ist. Weiterhin wird der Rißfortschritt durch die Verstärkungsschicht verzögert.
  • Wie es weiterhin im einzelnen in der Zeichnung dargestellt ist, können ein oder mehrere Verbundkörper in den Boizenkern des Verbundstrangpreßbolzens eingebettet sein. Der Verbundkörper ist insbesondere über einen vorderen Teil in Axialrichtung, beispielsweise als eine abschließende Stirnscheibe vorgesehen, wie es bei den von oben ersten beiden Beispielen in der Zeichnung der Fall ist. Es können mehrere ringförmige Verbundkörper zur Bildung von Innen- und Außenschichten bei Hohlprofilteilen vorgesehen sein, wie es beim dritten Beispiel von oben der Fall ist, es kann ein achszentraler Verbundkörper koaxial über eine bestimmte Strecke zur Bildung eines innen verstärkten Hohlprofils in den Bolzenkern eingebettet sein, wie es beim vierten Beispiel von oben der Fall ist, oder es können ein oder mehrere Verbundkörper über bestimmte Strecken in axialer Richtung über einen bestimmten Bereich des Querschnittes des Verbundstrangpreßbolzens vorgesehen sein, wie es bei den beiden letzten Beispielen der Fall ist.
  • Da bei diesem Verfahren das Material des Metallmatrix-Verbundkörpers an der Oberfläche der gebildeten Strangpreßprofilteile liegt und für Metallmatrix-Verbundkörper Materialien gewählt werden können, die einen niedrigeren Temperaturausdehnungskoeffizienten als das reine Metall oder Legierungsmaterial des monolithischen Metallkörpers haben, kann erreicht werden, daß der Temperaturausdehnungskoeffizient des Oberflächenbereiches der Strangpreßprofilteile beispielsweise dem Temperaturausdehnungskoeffizienten von Stahl nahekommt. Das ist dann von Vorteil, wenn die hergestellten Strangpreßprofilteile mit Stahlteilen verbunden werden sollen oder wenn durch die hergestellten Strangpreßprofilteile Stahlteile in Konstruktionen ersetzt werden sollen. Das ist insofern vorteilhaft, als die Strangpreßprofilteile ein geringeres Gewicht als Stahlteile haben.
  • Die Materialien des Metallmatrix-Verbundkörpers sind jedoch spröder als reine Metalle oder Legierungen. Sie neigen zu Rißeinleitungen (Materialermüdung, Spannungsrißkorosion usw.). Dieser Gefahr kann dadurch begegnet werden, daß nach dem Strangpressen eine Wärmebehandlung erfolgt, indem die stranggepreßten Profilteile warm ausgelagert, d.h. beispielsweise einer Wärmebehandlung auf eine Temperatur von 175°C oder mehr über einen Zeitraum von Stunden unterworfen werden, so daß sie von inneren Spannungen befreit werden, und dann sehr schnell abgekühlt, beispielsweise abgeschreckt werden.
  • Da der Metallkern aus dem monolithischen Metallkörper einen höheren Temperaturausdehnungskoeffizienten als die Oberflächenschicht oder Randschicht aus dem Material des Metallmatrix-Verbundkörpers hat, wird sich der Metallkern beim Abkühlen in Richtung der Längsachse des Strangpreßprofilteils stärker zusammenziehen wollen, als es die Oberflächenschicht aus dem Material des Metallmatrix-Verbundkörpers zuläßt. Das hat zur Folge, daß die Oberflächenschicht aus dem Material des Metallmatrix-Verbundkörpers unter eine Druckspannung, d.h. eine Druckvorspannung kommt, während der Kern aus dem Material des monolithischen Metallkörpers unter eine entsprechende Zugspannung (Zugvorspannung) gerät.
  • Da Rißbildungen bevorzugt an der Oberfläche beginnen und durch Zugspannungen beschleunigt werden, wird durch die an der Oberflächenschicht liegende Druckspannung die Gefahr der Rißbildung stark verringert. Eine am Strangpreßprofilteil nach der obigen Wärmebehandlung in Längsrichtung anliegende Zugkraft führt daher nur dann zu einer Zugspannung an der Oberflächenschicht aus dem Material des Metallmatrix-Verbundkörpers, wenn sie genügend groß ist, um die an diesem Teil liegende Druckvorspannung abzubauen.
  • Durch eine geeignete Wahl der Zusammensetzung und der Wärmebehandlung, d.h. des Auslagerungsverfahrens kann die Neigung zur Rißbildung sogar soweit verringert werden, daß sie geringer als bei reinen Legierungen ist. Diese Wirkung wird um so deutlicher, je dünner die Oberflächenschicht aus dem Material des Metallmatrix-Verbundkörpers im Verhältnis zum monolithischen Metallkern gewählt wird.
    • Beispiel
  • Ein Stab mit einer Querschnittsfläche des Metallkerns von 90 mm² aus einer Legierung AA 6061 (Aluminium Association Norm USA) und einer Querschnittsfläche von 10 mm² einer Oberflächenschicht aus einem Aluminiummatrix-Verbundkörper mit Siliziumkarbid (SiC) und Aluminiumoxid Al₂O₃ wurde so ausgelagert, daß er bei 175°C frei von inneren Spannungen ist, und dann sehr schnell auf 20°C abgekühlt. Um die Druckvorspannung der Oberflächenschicht aus dem Material des Metallmatrix-Verbundkörpers in Längsrichtung des Stabes abzubauen, war eine Zugkraft in Längsrichtung von 7300 N aufzubringen.
  • Das heißt, daß in der Oberflächenschicht aus dem Material des Metallmatrix-Verbundkörpers eines Stabes mit einer Querschnittsfläche von nur einem cm² nur dann Zugspannungen wirksam werden, wenn der Stab mit einer Zugkraft von 7300 N bei 20°C beansprucht wird. Ohne äußere Kräfte beträgt die Zugvorspannung im Metallkern 10,6 N pro mm² und die Druckvorspannung in der Oberflächenschicht aus dem Material des Metallmatrix-Verbundkörpers 95,6 N pro mm².
  • Als Legierungsmaterial AA 6061 für den Metallkern und als Material für den Metallmatarix-Verbundkörper können Materialien gewählt werden, deren Temperaturausdehnungskoeffizient bei 22x10⁻⁶·K⁻¹ bis 23x10⁻⁶·K⁻¹ für das Metallmaterial und 16x10⁻⁶·K⁻¹ bis 19x10⁻⁶·K⁻¹ liegt. Bei dem obigen Beispiel betrug der Wärmeausdehungskoeffizient des Metallmaterials 23x10⁻⁶·K⁻¹ und der des Materials des Metallmatrix-Verbundkörpers 19,5x10⁻⁶·K⁻¹. Der Elastizitätsmodul des Legierungsmaterials lag bei 70 kN pro mm² und des Materials des Metallmatrix-Verbundkörpers bei 95 kN pro mm².
  • Die Auslagerungstemperatur betrug 175°C, die Auslagerungszeit 2 bis 30 h. Die Abkühlung erfolgte mit Wasser oder mit Hilfe eines Gebläses auf 20°C in kurzer Zeit, die gemessene Druckspannung an der Oberfläche betrug 50 bis 150 MPa.
  • Durch dieses Verfahren können serienmäßig Verbundstrangpreßprofilteile ohne zusätzliche nachträgliche Beschichtung und damit kostengünstig hergestellt werden. Die hohe Verschleißfestigkeit in Verbindung mit den leichten Werkstoffen des Kernes der Profile verlängert deren Einsatzdauer und vermindert deren bewegliche Masse und somit den Energieverbrauch beim bestimmungsgemäßen Einsatz. Durch die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der Metallmatrix-Verbundwerkstoffe der Verstärkungs- oder Oberflächenschichten wird das Eigenschaftsprofil der gebildeten Strangpreßprofilteile verbessert.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Herstellen von Strangpreßprofilteilen, bei dem ein Verbundstrangpreßbolzen (1) aus einem monolithischen Metallkörper (2) und wenigstens einem Metallmatrixverbundkörper (4) gebildet und anschließend wärmebehandelt und stranggepreßt wird, wobei der Metallmatrixverbundkörper (4) in den als Bolzenkern dienenden monolithischen Metallkörper (3) eingebettet wird und zwar derart, daß das Material des Metallmatrixverbundkörpers (4) nach dem Strangpressen an wenistens einem gewünschten Teil der Oberfläche der Strangpreßprofilteile liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallmatrixverbundkörper (4) örtlich begrenzt an der in Strangpreßrichtung vorderen Stirnseite des Verbundstrangpreßbolzens (1) vorgesehen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß weitere Metallmatrixverbundkörper im Abstand voneinander in axialer Richtung des Verbundstrangpreßbolzens vorgesehen werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Metallmatrixverbundkörper so vorgesehen wird, daß er nur einen Teil der Querschnittsfläche des Verbundstrangpreßbolzens (1) einnimmt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Strangpreßprofilteile nach dem Strangpressen warm ausgelagert und anschließend schnell abgekühlt werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der monolithische Metallkörper (2) aus einer Knetlegierung gebildet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Metallmatrixverbundkörper (4) aus einem Aluminiummatrixverbundmaterial gebildet wird, das aus einer Aluminiumlegierung besteht, der homogen feine Glas- oder Keramikteilchen zugesetzt sind.
  7. Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß dem Aluminiummatrixverbundmaterial Kohle- oder Graphitteilchen oder Kurzfasern zugesetzt sind.
  8. Verbundstrangpreßbolzen zur Verwendung bei dem Verfahren nach Anspruch 1 mit einem Bolzenkern in Form eines monolithischen Metallkörpers (2) und wenigstens einem in dem monolithischen Metallkörper (2) eingebetteten Metallmatrixverbundkörper (4) dadurch gekennzeichnet, daß der Metallmatrixverbundkörper (4) aus einem Material besteht, das eine hohe Verschleißfestigkeit hat, und der Metallmatrixverbundkörper (4) örtlich begrenzt an der in Strangpreßrichtung vorderen Stirnseite des Verbundstrangpreßbolzens (1) vorgesehen ist.
  9. Verbundstrangpreßbolzen nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß weitere Metallmatrixverbundkörper im Abstand voneinander in axialer Richtung im monolithischen Metallkörper (2) vorgesehen sind.
  10. Verbundstrangpreßbolzen nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Metallmatrixverbundkörper so vorgesehen ist, daß er nur einen Teil der Querschnittsfläche des Verbundstrangpreßbolzens (1) einnimmt.
EP92106183A 1991-04-09 1992-04-09 Verfahren zum Herstellen von Strangpressprofilteilen Revoked EP0508434B1 (de)

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DE4111509A DE4111509A1 (de) 1991-04-09 1991-04-09 Verfahren zum herstellen von strangpressprofilteilen
DE4111509 1991-04-09

Publications (2)

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EP0508434A1 EP0508434A1 (de) 1992-10-14
EP0508434B1 true EP0508434B1 (de) 1995-08-09

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ID=6429174

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