EP0935504B1 - Verfahren zur herstellung eines metallprofilstranges - Google Patents

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EP0935504B1
EP0935504B1 EP97943712A EP97943712A EP0935504B1 EP 0935504 B1 EP0935504 B1 EP 0935504B1 EP 97943712 A EP97943712 A EP 97943712A EP 97943712 A EP97943712 A EP 97943712A EP 0935504 B1 EP0935504 B1 EP 0935504B1
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EP
European Patent Office
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preform
shaped bar
process according
mould
cross
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP97943712A
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English (en)
French (fr)
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EP0935504A1 (de
Inventor
Miroslaw Plata
Martin Bolliger
Grégoire Arnold
Pius Schwellinger
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3A Composites International AG
Original Assignee
Alcan Technology and Management Ltd
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Publication date
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Priority to EP97943712A priority Critical patent/EP0935504B1/de
Publication of EP0935504A1 publication Critical patent/EP0935504A1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/12—Making non-ferrous alloys by processing in a semi-solid state, e.g. holding the alloy in the solid-liquid phase

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a Profile strand according to the preamble of claim 1. in the The scope of the invention also includes an implementation of the Method suitable device and an application of the Method or use of the device.
  • a known method for the production of metal profiles is extrusion. With today's press technology however, it is hardly possible to make large profiles from aluminum alloys with a width of more than about 700 mm. Another disadvantage is that profile wall thicknesses of less than about 2 mm can hardly be realized. in the However, it would be in terms of weight and cost savings highly desirable to reduce the wall thickness of profiles, i.e. in compliance with usual geometric profile tolerances To achieve wall thicknesses of less than 1 mm.
  • the limited pressing force, the limited possibilities a uniform metal distribution with regard to temperature and flow velocity are the essential factors that when using today's pressing technology of a production stand in the way of extremely thin-walled profiles.
  • the invention is therefore based on the object of a method of the type mentioned above and one for implementation of the method to create suitable device with which hard alloys and composite materials of all kinds Process inexpensively to high quality products to let. Another goal is economical production extremely thin-walled large profiles and / or large profiles with extreme width. In addition, existing extrusion plants are said to converted in a simple and inexpensive way can be.
  • a method with the features of claim 1 leads to the achievement of the object according to the invention.
  • the preform is usually in the form of a bolt a preform chamber described in more detail below.
  • the preform and preform chamber thus correspond to that Press bolt or the recipient during extrusion.
  • the inventive deformation of the preform in the partially solid / partially liquid Condition can remain the same Press force to process materials into profiles that are Conventional extrusion hardly or only very uneconomically are producible. As a result of the lesser required Press forces can be compared to conventional Manufacturing comparable profile dimensions smaller systems are pressed, which is beneficial to the Manufacturing costs.
  • a major advantage of the method according to the invention is that hard alloys and composite materials too Profiles with metallurgical properties can be processed can't do that with conventional extrusion are achievable.
  • the Pressing force also wider profiles with less Produce profile wall thickness than this with today's pressing technology is possible.
  • preforms in the partially solid / partially liquid state compared to using conventional, perfect solidified press stud the advantage that the forming can be done with much less pressing force. Will the Low proportion of liquid phase compared to the solid phase held, so can also in thick-walled profile areas a sufficiently rapid solidification can be achieved.
  • the recipient temperature of up to 600 ° C is not arbitrarily increased can be, in an advantageous development of the provided method according to the invention, the pressing the preform to the profile strand by an attacking on the profile strand Support traction.
  • the degree of deformation at the transition from Preform to the profile strand in the partially solid / partially liquid state at least 50%, preferably at least 80%.
  • Under Degree of deformation is the decrease in cross section during understood the deformation of the preform to the profile strand.
  • the profile strand can immediately after exiting the mold for final shaping of the Profile section cross section are passed through a die.
  • This final shaping of the profile section is expediently with a degree of deformation of at most 15%, preferably at most 10%.
  • the profile strand is preferred after exiting the Mold or the die through complete evaporation a coolant sprayed onto the profile strand cooled.
  • a coolant sprayed onto the profile strand cooled By cooling with complete evaporation of the Coolant prevents liquid coolant from entering Direction to the hot and possibly still in liquid Condition of the present metal can flow back. With this measure can the cooling device as close to the Location of the desired cooling, i.e. as close as possible to the mold or the matrix.
  • Aluminum and magnesium alloys in particular are the metal matrix suitable. Their basic properties such as mechanical Strength and elongation can be achieved in a known manner can be achieved via the different alloy types.
  • the non-metallic additives can include the hardness that Rigidity and other properties favorably influenced become.
  • Preferred non-metallic additives are ceramic Materials such as metal oxides, metal nitrides and metal carbides. Examples of such materials are silicon carbide, Alumina, boron carbide, silicon nitride and boron nitride.
  • profiles can be made from composite materials that the preform is already in all materials contains the desired shape.
  • an additional material can in different forms and also in different aggregate states be added.
  • Supplementary material of the preform in solid form as wire, fibers or powder are fed continuously.
  • Wires for example, in the form of reinforcements in the profile remain.
  • a material can also be in the form of wire be added in the partially liquid / partially solid area melts and alloys there or a chemical reaction triggers.
  • the additional material can also be in liquid or in be added in gaseous state.
  • a major advantage of the method according to the invention compared to conventional extrusion is also that preforms from different cross-sections Material areas can be composed. That's the way it is For example, the edge zone or even inner parts a profile with other mechanical than the matrix Properties such as greater hardness, rigidity, abrasion resistance and the like.
  • a suitable device comprises an optionally heatable one Preform chamber to hold the preform, one to the preform chamber subsequent, possibly heatable molding chamber for forming the preform into a profile strand, and a cooled mold connected to the mold chamber Solidification of the profile strand, optionally for final shaping of the extruded section immediately after the Chill mold can still be arranged.
  • the device according to the invention can be used to create a Traction on the profile strand and thus to support the a pull-out device arranged throughout the pressing process his.
  • the pull-out device can have grippers and / or drive rollers include.
  • the mold chamber wall preferably has a constant curvature into the mold wall, i.e. the cross section of itself preform deforming to the profile strand takes continuously from.
  • the state of the preform is in the preform chamber and / or arranged in the molding chamber heating lines.
  • an intermediate layer to be arranged from a heat-insulating material.
  • a heater is arranged. This preferably has individually heated flow channels for the preform on.
  • the heating device consists of at least two devices lined up disc-shaped heating elements with integrated heating conductors, the heating elements individually are adjustable.
  • a particularly preferred area of application of the invention The process and the device are being manufactured of profiles with different cross sections Seen material areas.
  • Extrusion plant for the production of 1 has a recipient 10 with metal profiles a preform chamber 12 for receiving preforms 36.
  • a preform chamber 12 for receiving preforms 36.
  • the preform chamber 12 and the mold chamber 14 are with heating lines 20, 21 for heating the two chambers 12, 14.
  • the heater 42 has a plurality of in parallel individually heated to the pressing direction x Flow channels 44 for heating the preform 36 to an equilibrium state with respect to the desired one solid / liquid ratio.
  • Between the molding chamber 14 and the mold 16 is an intermediate layer 15 made of a heat insulating Arranged material.
  • the mold 16 is equipped with a first cooling device 24 indirect cooling of the contact with the mold wall 26th solidifying metal strand equipped.
  • a second cooling device 30 is arranged inside the die 18 and is used for the direct cooling of the material emerging from the die Profile strand 40 through direct application of coolant.
  • the profile chamber 14 In the same way as for extrusion - with a corresponding one Be mandrel insert.
  • an insertion channel 46 opens for feeding of an additional material 48 in the partially solid / partially liquid Area.
  • This additional material 48 can be in solid form as wire, fibers or powder, in liquid or also in gaseous form Condition.
  • the preform 36 in the form of a pre-heated one that is usually already preheated Metal stud is inserted into the preform chamber 12 and further heated via the heating lines 20.
  • the main part of the mold chamber 14 takes place Deformation of the preform 36, the wall 22 of the molding chamber 14 continuously the inlet opening of the mold 16 approximates.
  • the metal strand solidifies from the partially solid / partially liquid state f / fl along to the solid state f a solidification front starting from the mold wall 26 38.
  • solidified metal strand into the die 18 and is there in a die opening 28.
  • the shape of the profile strand 40 is within the mold 16 is already approximated so that in the Matrix 18 only a small change in cross section or a weak deformation takes place, i.e. die 18 mainly serves the training of a high quality Profile surface and the generation of a dimensionally accurate Profile cross-section.
  • die 18 mainly serves the training of a high quality Profile surface and the generation of a dimensionally accurate Profile cross-section.
  • preforms 36 are also suitable Metals with metallic or non-metallic additives, which have a higher melting point than the base metal.
  • These materials include, for example, or fiber-reinforced materials with an aluminum matrix, i.e. so-called metal matrix composites.
  • More suitable Materials are alloys - especially aluminum alloys - in the thixotropic state, as well as non-thixotropic Hard alloys such as AlMg alloys, in particular Alloys with eutectic solidification.
  • the preforms 36 can already be partially liquid state in the preform chamber 12 become. Completely more rigid because of the easier handling However, these are usually preformed to just under the lowest solidus temperature is heated up and only within the preform chamber 12 and the mold chamber 14 in transferred the desired partially solid / partially liquid state.
  • the heating device 42 is composed of individual disc-shaped heating elements 50 composed. This for example, have heating elements 50 made of steel Breakthroughs 52 on those machined into the surface Grooves 54 are surrounded. After inserting heating wires 56, the grooves 54 are welded.
  • Fig. 7 shows the Series of disk-shaped heating elements 50 for Heating device 42. The openings 52 of the individual disc-shaped Heating elements 50 are matched to one another in such a way that they form the continuous flow channels 44.
  • Fig. 8 shows the percentage of liquid to be processed Material over the length of the heater 42 of Fig. 7.
  • a temperature profile is generated which leads to a essentially linear increase in the liquid phase fraction leads.
  • the material to be processed enters the Heating device 42 is the proportion of the liquid phase for example 20%, on the outlet side of the heater for example 60%.
  • a heating capacity of around 1 kW 5 to 6 elements per heating element are sufficient to achieve the to generate the desired liquid phase fraction.
  • FIG. 9 shows an alternative embodiment of a heating device 42.
  • Disc-shaped heating elements 58 from, for example Boron nitride have heating conductors integrated into their surface 60 on.
  • the thickness of the heating elements 58 is, for example 1 mm.
  • the individual heating elements 58 are through Intermediate discs 62 made of carbon fiber reinforced, for example Graphite separated.
  • the heating elements 58 and the washers 62 have openings 52 which form the total flow channels 44.
  • the heater can operate at temperatures above 1000 ° be so that heat radiation into the preform 36 already before entering the heater 42, the liquid phase portion can be set to about 20%. About that In addition, a desired one can be created with this device Set the temperature profile much faster and more precisely.

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Profilstranges (40) aus einem zumindest teilweise metallischen Werkstoff wird eine Vorform (36) in teilfestem/teilflüssigem Zustand zum Profilstrang (40) verformt und der Profilstrang im teilfesten/teilflüssigen Zustand zur Erstarrung durch eine gekühlte Kokille (16) geführt. Die zugehörige Vorrichtung umfasst eine gegebenenfalls beheizbare Vorformkammer (12) zur Aufnahme der Vorform (36), eine an die Vorformkammer anschliessende, gegebenenfalls beheizbare Formkammer (14) zur Umformung der Vorform (36) zum Profilstrang (40), sowie eine an die Formkammer (14) anschliessende, gekühlte Kokille (16) zur Erstarrung des Profilstranges, wobei optional zur Endformung des Profilstrangquerschnittes unmittelbar nach der Kokille (16) eine Matrize (18) angeordnet sein kann. Mit dem Verfahren bzw. der Vorrichtung lassen sich Profile mit querschnittlich unterschiedlichen Werkstoffbereichen herstellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Profilstranges nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Im Rahmen der Erfindung liegt auch eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung sowie eine Anwendung des Verfahrens bzw. eine Verwendung der Vorrichtung.
Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung von Metallprofilen ist das Strangpressen. Mit der heutigen Presstechnologie ist es jedoch kaum möglich, Grossprofile aus Aluminiumlegierungen mit einer Breite von mehr als etwa 700 mm herzustellen. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass Profilwandstärken von weniger als etwa 2 mm kaum realisiert werden können. Im Hinblick auf Gewichts- und Kosteneinsparungen wäre es jedoch höchst wünschenswert, die Wandstärken bei Profilen zu verringern, d.h. unter Einhaltung üblicher geometrischer Profiltoleranzen Wandstärken von weniger als 1 mm zu erreichen.
Die limitierte Presskraft, die begrenzten Möglichkeiten einer gleichmässigen Metallverteilung bezüglich Temperatur und Fliessgeschwindigkeit sind die wesentlichen Faktoren, die bei Anwendung der heutigen Presstechnologie einer Herstellung von extrem dünnwandigen Profilen entgegenstehen.
Der heutigen Presstechnologie sind jedoch auch bei der Herstellung von Profilen mittlerer oder kleinerer Breite hinsichtlich der zu verarbeitenden Werkstoffe sowie der zu erzeugenden Querschnittsdimensionen gewisse Grenzen gesetzt. So sind beispielsweise harte Aluminiumlegierungen mit den heute in konventionellen Strangpressen üblichen Presskräften kaum oder nur sehr schwer zu verpressen. Diese Einschränkung gilt in besonderem Mass für die Herstellung von Hohlprofilen, insbesondere von Mehrkammerhohlprofilen. Die daraus resultierende langsame Pressgeschwindigkeit wirkt sich negativ auf die Produktionskosten aus. Hinzu kommen oft ungenügende Masstoleranzen sowie eine schlechte Metallverteilung, die sich vor allem durch eine ungenügende Formfüllung bei Profilpartien mit kleinen Querschnittsdimensionen bemerkbar macht.
Die Verarbeitung von partikelverstärkten Verbundwerkstoffen aus einer Metallmatrix mit in dieser in disperser Form vorliegenden Partikeln oder Fasern aus nichtmetallischen, hochschmelzenden Materialien durch Strangpressen führt zu vergleichbaren Problemen wie die oben erwähnte Verarbeitung harter Legierungen. In WO-A-87/06624, WO-A-91/02098 und WO-A-92/01821 ist die Herstellung dieser sogenannten Metal Matrix Composites ausführlich beschrieben. Hierbei werden grundsätzlich zunächst die in die Metallmatrix einzuführenden Partikel homogen in eine Legierungsschmelze eingerührt, und der schmelzflüssige Verbundwerkstoff wird nachfolgend beispielsweise durch Stranggiessen zu dem für die Weiterverarbeitung durch Strangpressen oder Walzen geeigneten Format vergossen.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus JP-A-04 066 219 bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zu schaffen, mit denen sich auch harte Legierungen und Verbundwerkstoffe aller Art kostengünstig zu qualitativ hochwertigen Produkten verarbeiten lassen. Ein anderes Ziel ist die wirtschaftliche Herstellung extrem dünnwandiger Grossprofile und/oder Grossprofile mit extremer Breite. Zudem sollen bestehende Strangpressanlagen auf einfache und kostengünstige Weise umgerüstet werden können.
Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1.
Die Vorform wird üblicherweise in der Form eines Bolzens in eine weiter unten näher beschriebene Vorformkammer eingesetzt. Vorform und Vorformkammer entsprechen damit dem Pressbolzen bzw. dem Rezipienten beim Strangpressen.
Durch die erfindungsgemässe Verformung der Vorform im teilfesten/teilflüssigen Zustand lassen sich bei gleichbleibender Presskraft Werkstoffe zu Profilen verarbeiten, die über konventionelles Strangpressen kaum oder nur sehr unwirtschaftlich herstellbar sind. Als Folge der geringeren erforderlichen Presskräfte können im Vergleich zur konventionellen Herstellungsweise vergleichbare Profildimensionen auf kleineren Anlagen verpresst werden, was sich günstig auf die Fabrikationskosten auswirkt.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens liegt darin, dass Hartlegierungen und Verbundmaterialien zu Profilen mit metallurgischen Eigenschaften verarbeitet werden können, die über konventionelles Strangpressen nicht erzielbar sind.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren lassen sich bei gleichbleibender Presskraft auch breitere Profile mit geringerer Profilwandstärke herstellen als dies mit der heutigen Presstechnologie möglich ist.
Die zentrale Idee, die dem erfindungsgemässen Verfahren zugrunde liegt, wird darin gesehen, die Vorform mit möglichst geringer Presskraft dem Endquerschnitt so stark anzunähern, dass eine Endformung des Profilstrangquerschnittes mittels einer Matrize ebenfalls mit geringer Presskraft durchgeführt werden kann. Dies wird durch die erfindungsgemässe Verformung im teilfesten/teilflüssigen Zustand erreicht.
Der Einsatz von Vorformen im teilfesten/teilflüssigen Zustand hat gegenüber der Verwendung herkömmlicher, vollkommen erstarrter Pressbolzen den Vorteil, dass die Umformung mit wesentlich geringerer Presskraft erfolgen kann. Wird der Anteil an Flüssigphase gegenüber dem Festphasenanteil gering gehalten, so kann auch in dickwandigen Profilbereichen eine genügend rasche Erstarrung erreicht werden.
Da der Druck auf die Vorform, d.h. die Presskraft, beispielsweise infolge der bei Spezialzusätzen erforderlichen hohen Rezipiententemperatur von bis zu 600°C nicht beliebig erhöht werden kann, ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemässen Verfahrens vorgesehen, das Verpressen der Vorform zum Profilstrang durch eine am Profilstrang angreifende Zugkraft zu unterstützen.
Bevorzugt beträgt der Umformungsgrad beim Uebergang von der Vorform zum Profilstrang im teilfesten/teilflüssigen Zustand wenigstens 50%, vorzugsweise wenigstens 80%. Unter Umformgrad wird hier die Abnahme des Querschnitts während der Verformung der Vorform zum Profilstrang verstanden.
Wird am Profilstrang eine hohe Oberflächengüte und/oder eine hohe Masstoleranz gefordert, so kann der Profilstrang unmittelbar nach dem Austritt aus der Kokille zur Endformung des Profilstrangquerschnittes durch eine Matrize geführt werden. Diese Endformung des Profilstrangquerschnittes wird zweckmässig mit einem Umformgrad von höchstens 15%, vorzugsweise höchstens 10%, durchgeführt.
Bevorzugt wird der Profilstrang nach dem Austritt aus der Kokille oder der Matrize durch vollständige Verdampfung eines auf den Profilstrang aufgesprühten Kühlmittels gekühlt. Durch die Kühlung mit vollständiger Verdampfung des Kühlmittels wird verhindert, dass flüssiges Kühlmittel in Richtung auf das heisse und gegebenenfalls noch in teilflüssigem Zustand vorliegende Metall zurückfliessen kann. Mit dieser Massnahme kann die Kühleinrichtung möglichst nahe am Ort der gewünschten Kühlung, d.h. möglichst nahe bei der Kokille bzw. der Matrize, angeordnet sein.
Der Anteil an Flüssigphase in der Vorform während deren Verformung richtet sich nach der Art des zu verarbeitenden Werkstoffes. Im allgemeinen liegt dieser Anteil bei höchstens 70% und beträgt vorzugsweise etwa 20 bis 50%. Für die Vorformen können grundsätzlich alle Werkstoffe eingesetzt werden, bei denen sich ein teilfester/teilflüssiger Zustand innerhalb eines für die Praxis genügend breiten Temperaturintervalls einstellen lässt. Geeignete Werkstoffe sind etwa
  • Legierungen, insbesondere Aluminium- und Magnesiumlegierungen, im thixotropen Zustand, mit unterschiedlichen Anteilen fest/ flüssig, z.B. Hartlegierungen vom Typ AlMg bzw. MgAl
  • Legierungen auf der Basis von Magnesium oder Kupfer im thixotropen Zustand, mit unterschiedlichen Anteilen fest/ flüssig
  • Legierungen auf der Basis von Aluminium oder Magnesium mit metallischen oder nichtmetallischen Anteilen hochschmelzender Partikel und/oder Fasern (Metal Matrix Composites)
Als Metallmatrix sind insbesondere Aluminium- und Magnesiumlegierungen geeignet. Deren Grundeigenschaften wie mechanische Festigkeit und Dehnung können in bekannter Weise über die verschiedenen Legierungstypen erreicht werden. Mit den nichtmetallischen Zusätzen können u.a. die Härte, die Steifigkeit sowie weitere Eigenschaften günstig beeinflusst werden. Bevorzugte nichtmetallische Zusätze sind keramische Werkstoffe wie Metalloxide, Metallnitride und Metallkarbide. Beispiele derartiger Werkstoffe sind Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Borkarbid, Siliziumnitrid und Bornitrid.
Grundsätzlich können Profile aus Verbundwerkstoffen so hergestellt werden, dass die Vorform bereits alle Werkstoffe in der gewünschten Form enthält. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren ist es jedoch auch möglich, der Vorform im teilfesten/teilflüssigen Zustand vor dem Eintritt in die Kokille ein Zusatzmaterial beizugeben. Dieses Zusatzmaterial kann in unterschiedlicher Form und auch in verschiedenen Aggregatszuständen zugesetzt werden. Beispielsweise kann das Zusatzmaterial der Vorform in fester Form als Draht, Fasern oder Pulver kontinuierlich zugeführt werden. Hierbei können Drähte beispielsweise in der Form von Armierungen im Profil verbleiben. In Form von Draht kann aber auch ein Werkstoff beigegeben werden, der im teilflüssigen/teilfesten Bereich aufschmilzt und dort legiert bzw. eine chemische Reaktion auslöst. Das Zusatzmaterial kann auch in flüssigem oder in gasförmigem Zustand beigegeben werden.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens gegenüber dem konventionellen Strangpressen liegt auch darin, dass Vorformen aus querschnittlich unterschiedlichen Werkstoffbereichen zusammengesetzt sein können. So ist es beispielsweise möglich, die Randzone oder auch innere Partien eines Profils mit gegenüber der Matrix anderen mechanischen Eigenschaften wie grössere Härte, Steifigkeit, Abriebfestigkeit und dgl. auszustatten.
Die Verarbeitung von Vorformen mit querschnittlich unterschiedlichen Werkstoffbereichen wird dadurch ermöglicht, dass die Vorform vor der Umformung zum Profilstrang durch eine Heizzone geführt und in der Heizzone auf ein über den gesamten Querschnitt des Profilstranges einheitliches fest/ flüssig-Verhältnis eingestellt wird. Hierzu kann in der Heizzone in Abhängigkeit von querschnittlich unterschiedlichen Werkstoffbereichen ein querschnittlich unterschiedliches Temperaturprofil eingestellt werden.
Eine zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete Vorrichtung umfasst eine gegebenenfalls beheizbare Vorformkammer zur Aufnahme der Vorform, eine an die Vorformkammer anschliessende, gegebenenfalls beheizbare Formkammer zur Umformung der Vorform zum Profilstrang, sowie eine an die Formkammer anschliessende, gekühlte Kokille zur Erstarrung des Profilstranges, wobei optional zur Endformung des Profilstrangquerschnittes unmittelbar nach der Kokille noch eine Matrize angeordnet sein kann.
Der erfindungsgemässen Vorrichtung kann zum Anlegen einer Zugkraft an den Profilstrang und damit zur Unterstützung des gesamten Pressvorgangs eine Auszieheinrichtung nachgeordnet sein. Die Auszieheinrichtung kann Greifer und/oder Antreibrollen umfassen.
Bevorzugt geht die Formkammerwand mit einer stetigen Krümmung in die Kokillenwand über, d.h. der Querschnitt der sich zum Profilstrang verformenden Vorform nimmt kontinuierlich ab.
Zur Erzeugung bzw. Aufrechterhaltung des teilfesten/teilflüssigen Zustandes der Vorform sind in der Vorformkammer und/oder in der Formkammer Heizleitungen angeordnet. Zudem ist es zweckmässig, zwischen der im allgemeinen beheizten Formkammer und der gekühlten Kokille eine Zwischenschicht aus einem wärmeisolierenden Material anzuordnen.
Zweckmässig ist zwischen der Vorformkammer und der Formkammer eine Heizeinrichtung angeordnet. Diese weist vorzugsweise individuell heizbare Durchflusskanäle für die Vorform auf.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht die Heizeinrichtung aus wenigstens zwei aneinandergereihten scheibenförmigen Heizelementen mit integrierten Heizleitern, wobei die Heizelemente einzeln regelbar sind.
Zur weiteren Abkühlung des aus der Kokille oder aus der Matrize austretenden Profilstranges ist eine Einrichtung zur Direktkühlung vorgesehen. Aus den vorstehend erwähnten Gründen wird eine Kühleinrichtung mit vollständiger Verdampfung des auf den Profilstrang aufgebrachten Kühlmittels bevorzugt.
Ein besonders bevorzugter Anwendungsbereich des erfindungsgemässen Verfahrens sowie der Vorrichtung wird in der Herstellung von Profilen mit querschnittlich unterschiedlichen Werkstoffbereichen gesehen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt schematisch in
Fig. 1
die Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Herstellung eines Profilstranges;
Fig. 2 - 4
den Längs- und Querschnitt durch verschiedene Vorformen mit querschnittlich unterschiedlichen Werkstoffbereichen;
Fig. 5
eine Draufsicht auf ein scheibenförmiges Heizelement;
Fig. 6
einen Teilquerschnitt durch das Heizelement von Fig. 5 nach deren Linie I-I;
Fig. 7
einen Längsschnitt durch eine Heizeinrichtung mit Heizelementen;
Fig. 8
ein Temperaturprofil über die Länge der Heizeinrichtung von Fig. 7;
Fig. 9
eine andere Ausführungsform einer Heizeinrichtung mit Heizelementen.
Ein in der Zeichnung aus Gründen der besseren Uebersicht nicht wiedergegebene Strangpressanlage zur Herstellung von Metallprofilen weist gemäss Fig. 1 einen Rezipienten 10 mit einer Vorformkammer 12 zur Aufnahme von Vorformen 36 auf. An die Vorformkammer 12 schliessen sich -- in Pressrichtung x gesehen -- der Reihe nach eine Heizeinrichtung 42, eine Formkammer 14, eine Kokille 16 sowie eine Matrize 18 an.
Die Vorformkammer 12 und die Formkammer 14 sind mit Heizleitungen 20, 21 zum Beheizen der beiden Kammern 12, 14 bestückt. Die Heizeinrichtung 42 weist eine Vielzahl von parallel zur Pressrichtung x angeordneten, individuell beheizbaren Durchflusskanälen 44 zum Aufheizen der Vorform 36 zu einem Gleichgewichtszustand bezüglich des gewünschten fest/flüssig-Verhältnisses auf. Zwischen der Formkammer 14 und der Kokille 16 ist eine Zwischenschicht 15 aus einem wärmeisolierenden Werkstoff angeordnet.
Die Kokille 16 ist mit einer ersten Kühleinrichtung 24 zur indirekten Kühlung des durch Kontakt mit der Kokillenwand 26 erstarrenden Metallstranges ausgestattet. Eine zweite Kühleinrichtung 30 ist innerhalb der Matrize 18 angeordnet und dient der direkten Kühlung des aus der Matrize austretenden Profilstranges 40 durch direkte Beaufschlagung mit Kühlmittel.
Zur Herstellung von Hohlprofilen kann die Profilkammer 14 --in gleicher Weise wie beim Strangpressen -- mit einem entsprechenden Dorneinsatz versehen sein.
In der Formkammer 14 mündet ein Einführungskanal 46 zum Zuführen eines Zusatzmaterials 48 in den teilfesten/teilflüssigen Bereich. Dieses Zusatzmaterial 48 kann in fester Form als Draht, Fasern oder Pulver, in flüssigem oder auch in gasförmigem Zustand zugeführt werden.
An der Austrittsseite der Matrize 18 ist eine Auszieheinrichtung 64 angeordnet. Ueber Treibrollen 66 wird an den aus der Matrize 18 austretenden Profilstrang 40 in Pressrichtung x eine Zugkraft K angelegt. Mit dieser Massnahme wird der Pressvorgang entlastet, so dass auch bei erhöhten Presstemperaturen eine akzeptable Pressgeschwindigkeit erzielt werden kann.
Die Funktions- und Betriebsweise der vorstehend beschriebenen Anordnung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Prinzipskizze näher erläutert. Der Vollständigkeit halber sei hier noch erwähnt, dass die erfindungsgemässe Anordnung so ausgelegt ist, dass sie problemlos in eine konventionelle Strangpressanlage eingebaut werden kann.
Die Vorform 36 in der Form eines üblicherweise bereits vorgewärmten Metallbolzens wird in die Vorformkammer 12 eingeführt und über die Heizleitungen 20 weiter aufgeheizt. Ueber einen Stempel 32 mit Pressscheibe 34 wird die Vorform 36 in Pressrichtung x getrieben und innerhalb der Heinzeinrichtung 42 in den gewünschten teilfesten/teilflüssigen Zustand überführt. In der Formkammer 14 erfolgt der Hauptteil der Verformung der Vorform 36, wobei die Wand 22 der Formkammer 14 sich kontinuierlich der Einlauföffnung der Kokille 16 annähert.
Innerhalb der Kokille 16, deren Aufbau grundsätzlich demjenigen einer konventionellen Stranggiesskokille entspricht, erfolgt die Erstarrung des Metallstranges vom teilfesten/ teilflüssigen Zustand f/fl zum festen Zustand f entlang einer von der Kokillenwand 26 ausgehenden Erstarrungsfront 38. Unmittelbar am Austrittsende der Kokille 16 tritt der erstarrte Metallstrang in die Matrize 18 ein und wird dort in einer Matrizenöffnung 28 endgeformt.
Im Idealfall wird die Gestalt des Profilstranges 40 innerhalb der Kokille 16 bereits derart angenähert, dass in der Matrize 18 nur noch eine geringe Querschnittsveränderung bzw. eine schwache Umformung erfolgt, d.h. die Matrize 18 dient vorwiegend der Ausbildung einer qualitativ hochstehenden Profiloberfläche sowie der Erzeugung eines massgenauen Profilquerschnittes. Durch die direkte Beaufschlagung des aus der Matrize 18 austretenden Profilstranges 40 mit Kühlmittel aus der Kühleinrichtung 30 wird sichergestellt, dass allenfalls noch teilflüssige Anteile im Profilinneren vollständig erstarren. Der erstarrte Profilstrang 40 wird nach seinem Austritt aus der Matrize 18 von den Treibrollen 66 der Auszieheinrichtung 64 erfasst und in Pressrichtung x aus der Matrize 18 gezogen.
Als Werkstoffe für die in die Vorformkammer 12 aufzugebende Vorform 36 eignen sich neben reinen Metallegierungen auch Metalle mit metallischen oder nichtmetallischen Zusätzen, die einen höheren Schmelzpunkt als das Grundmetall aufweisen. Zu diesen Werkstoffen gehören beispielsweise partikel- oder faserverstärkte Werkstoffe mit einer Aluminiummatrix, d.h. sogenannte Metal Matrix Composites. Weitere geeignete Werkstoffe sind Legierungen -- insbesondere Aluminiumlegierungen -- im thixotropen Zustand, sowie nichtthixotrope Hartlegierungen wie beispielsweise AlMg-Legierungen, insbesondere Legierungen mit eutektischer Erstarrung.
In den Fig. 2 bis 4 sind beispielhaft verschiedene Vorformen 36 mit querschnittlich unterschiedlichen Werkstoffbereichen A,B,C,D dargestellt. Es ist ohne weiteres verständlich, dass mit diesen Vorformen Profile mit querschnittlich unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften erzeugt werden können. Mit einem an die jeweiligen Werkstoffbereiche querschnittlich angepassten Temperaturprofil innerhalb der Heizeinrichtung 42 kann erreicht werden, dass am Ausgang der Heizeinrichtung 42 in allen Werkstoffbereichen A,B,C,D ein einheitliches fest/flüssig-Verhältnis eingestellt ist.
Die Vorformen 36 können grundsätzlich bereits im teilfesten/ teilflüssigen Zustand in die Vorformkammer 12 aufgegeben werden. Wegen der einfacheren Handhabung vollkommen starrer Vorformen werden diese jedoch üblicherweise bis knapp unter die jeweils niedrigste Solidustemperatur aufgeheizt und erst innerhalb der Vorformkammer 12 und der Formkammer 14 in den gewünschten teilfesten/teilflüssigen Zustand überführt.
In der nachstehenden Tabelle sind die anhand einer Modellrechnung für eine beispielhafte Anordnung ermittelten Werte für den Druck p und den Umformungsgrad d den einzelnen Umformstationen der erfindungsgemässen Anordnung zugeordnet.
Vorformkammer Formkammer Kokille Matrize
p (bar) 100 500 100 1000
d (%) 0 90 2 8
Gemäss den Fig. 5 bis 7 ist die Heizeinrichtung 42 aus einzelnen scheibenförmigen Heizelementen 50 zusammengesetzt. Diese beispielsweise aus Stahl gefertigten Heizelemente 50 weisen Durchbrüche 52 auf, die von in die Oberfläche eingearbeiteten Nuten 54 umgeben sind. Nach dem Einlegen von Heizdrähten 56 werden die Nuten 54 zugeschweisst. Fig. 7 zeigt die Aneinanderreihung von scheibenförmigen Heizelementen 50 zur Heizeinrichtung 42. Die Durchbrüche 52 der einzelnen scheibenförmigen Heizelemente 50 sind derart aufeinander abgestimmt, dass sie die durchgehenden Durchflusskanäle 44 bilden.
Fig. 8 zeigt den prozentualen Flüssiganteil des zu verarbeitenden Werkstoffes über der Länge der Heizeinrichtung 42 von Fig. 7. Durch individuelle Regelung der einzelnen Heizelemente 50 wird ein Temperaturprofil erzeugt, welches zu einem im wesentlichen linearen Anstieg des Flüssigphaseanteils führt. Bei Eintritt des zu verarbeitenden Werkstoffes in die Heizeinrichtung 42 beträgt der Anteil der flüssigen Phase beispielsweise 20%, auf der Austrittsseite der Heizeinrichtung beispielsweise 60%. Bei einer Heizleistung von etwa 1 kW pro Heizelement sind 5 bis 6 Elemente ausreichend, um den gewünschten Flüssigphaseanteil zu erzeugen.
Fig. 9 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Heizeinrichtung 42. Scheibenförmige Heizelemente 58 aus beispielsweise Bornitrid weisen in ihre Oberfläche integrierte Heizleiter 60 auf. Die Dicke der Heizelemente 58 beträgt beispielsweise 1 mm. Die einzelnen Heizelemente 58 sind durch Zwischenscheiben 62 aus beispielsweise mit Kohlefasern verstärktem Graphit voneinander getrennt. Die Heizelemente 58 und die Zwischenscheiben 62 weisen Durchbrüche 52 auf, die insgesamt die Durchflusskanäle 44 bilden. Eine derartige Heizeinrichtung kann bei Temperaturen über 1000° betrieben werden, so dass durch Wärmeabstrahlung in die Vorform 36 bereits vor deren Eintritt in die Heizeinrichtung 42 der Flüssigphaseanteil auf etwa 20% eingestellt werden kann. Darüber hinaus lässt sich mit dieser Einrichtung ein gewünschtes Temperaturprofil wesentlich rascher und präziser einstellen.

Claims (23)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Profilstranges (40) aus einer Vorform (36) aus einem zumindest teilweise metallischen Werkstoff, wobei die Vorform in teilfestem/teilflüssigem Zustand durch eine formgebende Oeffnung zum Profilstrang (40) verpresst wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der bei der Verformung der Vorform (36) entstehende Profilstrang (40) im teilfesten/teilflüssigen Zustand zur Erstarrung durch eine gekühlte Kokille (16) geführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verpressen der Vorform (36) zum Profilstrang (40) durch eine am Profilstrang angreifende Zugkraft (K) unterstützt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorform (36) um wenigstens 50%, vorzugsweise um wenigstens 80%, umgeformt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Profilstrang (40) unmittelbar nach dem Austritt aus der Kokille (16) zur Endformung des Profilstrangquerschnittes durch eine Matrize (18) geführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Endformung des Profilstrangquerschnittes mit einem Umformungsgrad von höchstens 15%, vorzugsweise höchstens 10%, durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Profilstrang (40) nach dem Austritt aus der Kokille (16) oder der Matrize (18) vorzugsweise durch vollständige Verdampfung eines auf den Profilstrang aufgesprühten Kühlmittels gekühlt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorform (36) während ihrer Verformung einen Anteil von höchstens 70%, vorzugsweise 20 bis 50%, Flüssigphase aufweist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorform (36) aus einer thixotropen Legierung, insbesondere aus einer thixotropen Aluminium- oder Magnesiumlegierung, aus einer nichtthixotropen Hartlegierung aus Aluminium oder Magnesium, insbesondere aus einer AlMg- oder MgAl-Legierung, oder aus einem partikel- oder faserverstärkten Aluminium- oder Magnesiumwerkstoff besteht.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorform (36) aus querschnittlich unterschiedlichen Werkstoffbereichen (A,B,C,D) zusammengesetzt ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorform (36) im teilfesten/ teilflüssigen Zustand vor dem Eintritt in die Kokille (16) ein Zusatzmaterial (48) beigegeben wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmaterial (48) der Vorform (36) in fester Form als Draht, Fasern oder Pulver, in flüssigem oder gasförmigem Zustand beigegeben wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorform (36) vor der Umformung zum Profilstrang (40) durch eine Heizzone (42) geführt und in der Heizzone auf ein über den gesamten Querschnitt des Profilstranges einheitliches fest/flüssig-Verhältnis eingestellt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Heizzone (42) in Abhängigkeit von querschnittlich unterschiedlichen Werkstoffbereichen (A,B,C,D) ein querschnittlich unterschiedliches Temperaturprofil eingestellt wird.
  14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch eine gegebenenfalls beheizbare Vorformkammer (12) zur Aufnahme der Vorform (36), eine an die Vorformkammer anschliessende, gegebenenfalls beheizbare Formkammer (14) zur Umformung der Vorform (36) zum Profilstrang (40), sowie eine an die Formkammer (14) anschliessende, gekühlte Kokille (16) zur Erstarrung des Profilstranges.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anlegen einer Zugkraft (K) an den Profilstrang (40) eine Auszieheinrichtung (64) nachgeordnet ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Endformung des Profilstrangquerschnittes unmittelbar nach der Kokille (16) eine Matrize (18) angeordnet ist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkammerwand (22) mit einer stetigen Krümmung in die Kokillenwand (26) übergeht.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorformkammer (12) und/oder in der Formkammer (14) Heizleitungen (20,21) angeordnet sind.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Formkammer (14) und der Kokille (16) eine Zwischenwand (15) aus einem wärmeisolierenden Material angeordnet ist.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Vorformkammer (12) und der Formkammer (14) eine Heizeinrichtung (42) mit vorzugsweise individuell heizbaren Durchflusskanälen (44) für die Vorform (36) angeordnet ist.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (42) aus wenigstens zwei aneinandergereihten scheibenförmigen Heizelementen (50, 58) mit integrierten Heizleitern (56,60) besteht, wobei die Heizelemente einzeln regelbar sind.
  22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zur weiteren Abkühlung des aus der Kokille (16) oder aus der Matrize (18) austretenden Profilstranges (40) eine Einrichtung zur Direktkühlung, vorzugsweise eine Kühleinrichtung (30) mit vollständiger Verdampfung des auf den Profilstrang (40) aufgebrachten Kühlmittels, vorgesehen ist.
  23. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 22 zur Herstellung von Profilen (40) mit querschnittlich unterschiedlichen Werkstoffbereichen (A,B,C,D).
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