NL7905471A

NL7905471A - METHOD FOR FORMING A MOLDED PRODUCT FROM A METAL ALLOY.

Info

Publication number: NL7905471A
Application number: NL7905471A
Authority: NL
Original assignee: Itt
Priority date: 1978-07-25
Filing date: 1979-07-13
Publication date: 1980-01-29
Also published as: DK311879A; JPS585748B2; JPS5519498A; GB2026363A; ES482797A1; IT7924620A0; CA1129624A; CH639300A5; DE2929845C2; GB2026363B; FR2433993B1; BE877874A; IT1122314B; DE2929845A1; FI792254A; FR2433993A1

Description

ψ Μ. P.Kenney - 1 ITT INDUSTRIES,- INC., te New York, Verenigde Staten van Noord-Amerika WERKWIJZE VOOR HET VORMEN VAN EEN GEVORMD PRODUCT UIT EEN METAAL-LEGERING.ψ Μ. P. Kenney - 1 ITT INDUSTRIES, - INC., New York, United States of North America METHOD FOR FORMING A MOLDED PRODUCT FROM A METAL ALLOY.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vormen van een gevormd product uit een metaallegering en meer in het bijzonder op een werkwijze voor het vervaardigen van onderdelen uit een metaallegering met een complexe vorm en met een geringe tolerantie.The invention relates to a method of forming a shaped product from a metal alloy and more particularly to a method of manufacturing parts from a metal alloy of complex shape and of low tolerance.

5 Gevormde onderdelen uit een metaallegering worden vervaardigd uit smeedlegeringen door smeedtechnieken om optimale fysische eigenschappen te verkrijgen. Indien een onderdeel een relatief ingewikkelde vorm heeft, moet het doorgaans gevormd worden door gietlegeringen te gebruiken, veelal ten koste van de fysische eigenschappen. Het zou 10 gewenst zijn legeringen te gebruiken welke de eigenschappen van gesmede producten verschaffen in een vormingsproces dat in staat is ingewikkelde vormen voort te brengen.5 Metal alloy molded parts are fabricated from forged alloys by forging techniques to obtain optimal physical properties. If a part has a relatively complex shape, it usually has to be formed by using cast alloys, often at the expense of physical properties. It would be desirable to use alloys that provide the properties of forged products in a molding process capable of producing complex shapes.

Kortelings zijn bepaalde legeringen ontwikkeld met een microstructuur welke zodanig is dat hij gegoten kan worden uit een vloei-15 baar-vast mengsel in plaats van een vloeistof en derhalve vast wordt vanuit een lagere temperatuur dan bij de gangbare gietlegeringen.Recently, certain alloys have been developed with a microstructure such that it can be cast from a liquid-solid mixture instead of a liquid and thus solidifies from a lower temperature than conventional cast alloys.

Dergelijke legeringen en hun bereiding zijn bijvoorbeeld beschreven in de Amerikaanse octrooischriften 3 948 650 en 3 954 455. Zoals daarin beschreven is, kunnen gedeeltelijk uit vaste stof bestaande metaal-20 legeringen in de vorm van een brei gevormd worden tot onderdelen door een verscheidenheid van vormende processen waaronder matrijs-gieten, permanente vorm gieten, gesloten matrijs smeden, heet persen en andere bekende technieken.Such alloys and their preparation are described, for example, in U.S. Pat. Nos. 3,948,650 and 3,954,455. As described therein, partially solid metal alloys in the form of a knit can be formed into parts by a variety of shaping processes including die casting, permanent die casting, closed die forging, hot pressing and other known techniques.

Een eerste doel van de uitvinding is een werkwijze voor te 25 stellen voor het vervaardigen van onderdelen uit een metaallegering die dusdanig ingewikkelde vormen hebben welke doorgaans karakteristiek zijn voor gegoten legeringen doch met eigenschappen welke die benaderen van onderdelen welke vervaardigd zijn uit smeedlegeringen.A first object of the invention is to propose a method of manufacturing metal alloy parts which have such intricate shapes that are typically characteristic of cast alloys but with properties approximating parts made of wrought alloys.

Een verder doel van de uitvinding is onderdelen uit een 30 metaallegering van complexe vorm en met een geringe .tolerantie voort 790 54 71 '%* 2 ;> te brengen door een lage druk perssmeedproces met de besparingen van giettechnieken.A further object of the invention is to produce metal alloy parts of complex shape and with a low tolerance of 790 54 71% by means of a low pressure forging process with the savings of casting techniques.

Weer een ander doel van de uitvinding is een werkwijze voor te stellen voor de vervaardiging van dergelijke onderdelen uit een 5 metaallegering bij hoge productiesnelheden.Yet another object of the invention is to propose a method of manufacturing such metal alloy parts at high production rates.

Volgens de uitvinding wordt dit doel bereikt door perssmeden van een half-vaste lading metaallegering in een gesloten matrijsholte onder regeling van bepaalde kritische procesvariabelen. De uitvinding verschaft relatief lage drukken, uitzonderlijk korte vormingstijden en 10 - in een te verkiezen vorm - legeringssamenstellingen met zeer hoge percentages vaste delen. In het bijzonder wordt een half-vaste lege-ringslading gevormd in een matrijsholte onder druk gedurende een tijd van minder' dan ongeveer 1 seconde, waarbij de matrijsholte voorverhit is tot een temperatuur van ongeveer 100° tot 450° C. De vloeibare fase 15 van de gevormde legering laat men dan vast worden in de matrijsholte bij een druk van ongeveer 1,7 tot 340 bar in een tijd van minder dan 1 minuut.According to the invention, this object is achieved by forging a semi-solid metal alloy charge in a closed mold cavity under control of certain critical process variables. The invention provides relatively low pressures, exceptionally short molding times and - in a preferred mold - alloy compositions with very high solids percentages. In particular, a semisolid alloy charge is formed in a mold cavity under pressure for a time of less than about 1 second, the mold cavity being preheated to a temperature of about 100 ° to 450 ° C. The liquid phase of the alloy formed is then allowed to solidify in the mold cavity at a pressure of about 1.7 to 340 bar in less than 1 minute.

De uitvinding zal nu aan de hand van de tekening nader toegelicht worden. Daarin toont: 20 fig. 1 een verticale doorsnede van matrijzen in de gesloten stand in een pers welke geschikt is voor gebruik bij de uitvinding; fig. 2 een zijaanzicht van een in de pers volgens fig. 1 vervaardigd automobielwiel, en fig. 3 een bovenaanzicht van het in fig. 2 getoonde wiel.The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing. In the drawing: Fig. 1 shows a vertical section of molds in the closed position in a press suitable for use in the invention; Fig. 2 is a side view of an automobile wheel manufactured in the press according to Fig. 1, and Fig. 3 is a top view of the wheel shown in Fig. 2.

25 De gebruikte metaallading of voorvorm bij de werkwijze volgens de uitvinding is half-vast - een mengsel gedeeltelijk bestaande uit vloeistof en gedeeltelijk uit vaste stof. De vaste deeltjes, welke tussen 30 en 90% van het totale volume uitmaken, zijn afgerond van vorm en doorgaans tussen ongeveer 20 en 200 micron in diameter. Dit is het 30 resultaat van een voorbehandeling van het metaal waarbij het metaal gesmolten wordt en vervolgens gedurende het vast worden hevig wordt geroerd. Dit breekt de korrelformatie tot in het algemeen afgeronde deeltjes. De resulterende metaalsamenstelling is gekenmerkt door afzonderlijke gedegenereerde dendritische primaire vaste deeltjes welke 35 homogeen gesuspendeerd zijn in een secundaire fase met een lager smeltpunt dan de primaire deeltjes. Zowel de primaire als de secundaire 790 54 71The metal charge or preform used in the method of the invention is semi-solid - a mixture consisting partly of liquid and partly of solid. The solid particles, which make up between 30 and 90% of the total volume, are rounded in shape and usually between about 20 and 200 microns in diameter. This is the result of a pretreatment of the metal in which the metal is melted and then stirred vigorously during solidification. This breaks the grain formation into generally rounded particles. The resulting metal composition is characterized by individual degenerate dendritic primary solid particles which are homogeneously suspended in a secondary phase with a lower melting point than the primary particles. Both primary and secondary 790 54 71

VV

3 t fasen zijn afgeleid van de metaallegering welke gedurende het vast worden hevig geroerd is. De werkwijze en de resulterende legering zijn vollediger beschreven in de genoemde Amerikaanse octrooischriften 3 948 650 en 3 954 455 waarnaar verwezen wordt.3 t phases are derived from the metal alloy which has been vigorously stirred during solidification. The process and the resulting alloy are more fully described in the aforementioned U.S. Pat. Nos. 3,948,650 and 3,954,455.

5 De in het algemeen afgeronde aard van de afzonderlijke ge degenereerde dendritische deeltjes laat het toe om de vaste deeltjes op een visceuze wijze te doen vloeien in een continue vloeistofmatrix.The generally rounded nature of the individual degenerate dendritic particles allows the solid particles to flow in a viscous manner in a continuous liquid matrix.

Dit maakt de relatief lage druk bij het vormen van het onderdeel mogelijk.This allows the relatively low pressure when forming the part.

De toegepaste drukken bij de werkwijze bestrijken een gebied van ongeveer 10 1,7 tot 340 bar welke het vormen toelaat van dermate grote onderdelen als een grote maat (14 inch) automobielwiel dat nu gevormd kan worden in een 250 tons pers vergeleken bij een 1200 tons matrijs gietmachine of een 8000 tons pers voor het gangbare smeden.The pressures used in the process cover a range of about 1.7 to 340 bar allowing the molding of such large parts as a large size (14 inch) automobile wheel that can now be formed in a 250 ton press compared to a 1200 ton die casting machine or an 8000 ton press for common forging.

De grotendeels vaste aard van de lading welke in volume vaste 15 stof tussen 30 en 90%, doch bij voorkeur boven 70% bedraagt, laat een zeer snel vast worden met een minimum aan vloeistof/vaste stof krimp toe. Op zijn beurt laat dit toe dat onderdelen gevormd worden zonder grote "voedingsreservoirs" of opkomers en laat een zeer kort verblijf in de matrijzen toe. Dit laatste punt is van zeer groot belang bij de 20 bereikbare hoge productiesnelheden met dit proces; een realistische snelheid van bij voorbeeld 240 automobielwielen per uur of 500 kleine onderdelen per uur kan gemakkelijk worden bereikt.The largely solid nature of the charge, which in solids volume is between 30 and 90%, but preferably above 70%, allows very fast solidification with a minimum of liquid / solid shrinkage. This, in turn, allows parts to be formed without large "nutrient reservoirs" or risers and allows very short residence in the molds. The latter point is of great importance with regard to the high production speeds that can be achieved with this process; a realistic speed of, for example, 240 automotive wheels per hour or 500 small parts per hour can be easily achieved.

De snelle vastwording betekent dat nagenoeg alle doorsneden van een onderdeel met een gelijke dikte in doorsnede, terzelfdertijd 25 vast worden en dus zeer snel uitgeworpen kunnen worden, gewoonlijk minder dan 4 seconden na het vormen voor legeringen met een hoog ge-leidingsvermogen zoals aluminium en koper. Voor ijzerlegeringen of onderdelen met een relatief grote doorsnede kan de vastwordingstijd oplopen to.t 15-20 seconden, doch deze zal steeds minder dan een minuut 30 bedragen en doorgaans aanzienlijk minder. De snelle uitwerping bevrijdt het onderdeel van vele spanningen van de krimp in vaste toestand welke doorgaans met afnemende temperatuur optreedt. Dergelijke krimp kan voortschrijden tot het punt waarop het omsluiten op de matrijzen hoge spanningen bewerkt welke resulteren in verdrongen materiaal of scheuren 35 in het gevormde deel.The fast setting means that virtually all cross sections of a part of equal thickness in cross section become solid at the same time and thus can be ejected very quickly, usually less than 4 seconds after molding for high conductivity alloys such as aluminum and copper . For iron alloys or parts with a relatively large cross-section, the setting time can be up to 15-20 seconds, but it will always be less than one minute and usually considerably less. The rapid ejection relieves the part of many stresses from the solid state shrinkage which usually occurs with decreasing temperature. Such shrinkage can progress to the point where enclosure on the dies produces high stresses resulting in displaced material or cracks in the molded part.

Volgens de uitvinding voorgebrachte producten bezitten vele 790 54 71 f' 4 > van de eigenschappen van een gesmeed product doch kunnen complexe vormen hebben en toleranties in de vorm welke typisch zijn voor een gietproduct. De producten kunnen vervaardigd worden onder gebruikmaking van normale smeedlegeringen met een trekspanning, vermoeidheid, 5 breukgrens, buigzaamheid en weerstand tegen corrosie vergelijkbaar met die van gesmede producten welke uit deze legeringen vervaardigd zijn. Bovendien kunnen met de werkwijze relatief grote onderdelen vervaardigd worden. Volgens de beschreven werkwijze zijn bijvoorbeeld automobiel-wielen vervaardigd die vele eigenschappen bezitten van gesmede wielen 10 onder gebruikmaking van een aanzienlijk vereenvoudigde persapparatuur en op aanzienlijk meer efficiënte wijze dan die toegepast voor de gangbare gesmede wielen.Products produced according to the invention have many of the properties of a forged product but may have complex shapes and shape tolerances typical of a cast product. The products can be manufactured using normal forged alloys with tensile stress, fatigue, fracture limit, flexibility and corrosion resistance similar to those of forged products made from these alloys. Moreover, relatively large parts can be manufactured with the method. For example, according to the described method, automobile wheels have been produced which have many properties of forged wheels 10 using a considerably simplified pressing equipment and in a considerably more efficient manner than those used for the conventional forged wheels.

Bij de werkwijze volgens de uitvinding wordt een voorvorm verhit tot 10-70% van zijn volume vloeibaar wordt. Als boven vermeld 15 is, is de voorvorm of lading tevoren vervaardigd door hevig roeren van een vloeibaar/vast mengsel van de uitgekozen legering welke dan snel afgekoeld werd. De temperatuur waarop de voorvorm verhit is ligt binnen het smelttrajeet van de bepaalde legering en kan voor het gekozen legeringsstelsel variëren afhankelijk van de bepaalde chemische samen-20 stelling. Daar er geen bepaalde temperatuur bestaat waarbij het metaal optimaal gevormd wordt, kan de viscositeit zoals deze gemeten wordt als de weerstand tegen indringen van een sonde in het half vaste materiaal gebruikt worden als een indicatie voor het in het mengsel aanwezige percentage vloeistof. Doorgaans wordt het drukgebied van 25 0,35 bar tot 1,05 bar toegepast, waarbij de nauwkeurige druk zo gekozen is dat hij past bij de omstandigheden van het te vormen onderdeel. Het is mogelijk afkoelen en wederom verhitten van de voorvorm te ontgaan door als de lading direct de stevig geroerde brei te gebruiken, dat wil zeggen voordat hij afgekoeld is tot een staaf of voorvorm.In the method of the invention, a preform is heated until 10-70% of its volume becomes liquid. As noted above, the preform or batch is pre-made by vigorously stirring a liquid / solid mixture of the selected alloy which is then rapidly cooled. The temperature at which the preform is heated is within the melting stage of the particular alloy and may vary for the selected alloy system depending on the particular chemical composition. Since there is no particular temperature at which the metal is optimally formed, the viscosity as measured as the probe's resistance to penetration into the semisolid can be used as an indication of the percentage of liquid present in the mixture. Typically, the pressure range from 0.35 bar to 1.05 bar is applied, the precise pressure being chosen to suit the conditions of the part to be formed. It is possible to avoid cooling and reheating of the preform by directly using the tightly stirred knit as the load, i.e. before it has cooled to a rod or preform.

30 Lage drukken kunnen toegepast worden om de voorverhitte staaf te vormen hetgeen met zich meebrengt dat geen extra stolling van belang optreedt gedurende de vormingsstap. Aldus wordt teneinde het gebruik van lage drukken mogelijk te maken, een vormingstijd in de matrijsholte van minder dan 1 seconde vereist. De matrijsholte wordt 35 voorverhit tot een temperatuur van 100-450° C afhankelijk hoofdzakelijk van de configuratie van het onderdeel teneinde stolling van enig belang 790 5 4 71 5 * -ί.Low pressures can be used to form the preheated rod, which means that no additional solidification of interest occurs during the forming step. Thus, to allow the use of low pressures, a molding time in the mold cavity of less than 1 second is required. The mold cavity is preheated to a temperature of 100-450 ° C depending mainly on the configuration of the part to allow solidification of some importance.

gedurende de stap van het vormen te verhinderen. Indien de temperaturen te hoog zijn is er een neiging van hechten van de voorvorm aan de matrijs, bekend als matrijssolderen. Gedurende de vormingsslag, stijgt de druk van nul tot de voor de stolling gebruikte druk. Bij het einde 5 van de vormingsslag is de druk bijgevolg gestegen van ongeveer 1,7- 340 bar, doorgaans van 34-179 bar en begint het stollen van de vloeibare fase. Derhalve stijgt de druk geleidelijk gedurende de vormingsslag en handhaaft zich op een piek van 1,7-340 bar gedurende het stollen. De aangelegde druk bevordert de warmteoverdracht van de metaal-10 legering naar de matrijs en voedt de stollingskrimp. Indien de druk te laag is kan porositeit een onaanvaardbaar niveau bezitten of kunnen ingewikkelde matrijzen incompleet gevuld worden. Drukken boven 340 bar kunnen gebruikt worden doch zijn niet noodzakelijk. Bovendien kunnen hoge drukken ontluchtingsproblemen veroorzaken. Het is gewenst het 15 onderdeel te vormen bij een zo laag mogelijke druk als mogelijk is om redenen van besparingen bij de werkwijze, eenvoud van de persappara-tuur en voor de levensduur van de matrijs. De verblijftijd in de matrijsholte volgend op de vormingsstap moet voldoende kort zijn, minder dan 1 minuut en de bij voorkeur minder dan 4· seconden, teneinde hete 20 scheurvorming van het gevormde onderdeel door warme krimpspanningen te vermijden, doch lang-genoeg om de stolling te voltooien van de vloeibare fase van de legering. Specifieke tijden hangen af van de dikte van het onderdeel. De neiging dat heet scheuren optreedt is een functie van de legeringssamenstelling, het percentage van de delen vaste stof, 25 de temperatuur van de matrijs en de configuratie.van het onderdeel.during the molding step. If the temperatures are too high, there is a tendency for the preform to adhere to the die, known as die brazing. During the forming stroke, the pressure rises from zero to the pressure used for the solidification. As a result, at the end of the forming stroke, the pressure has risen from about 1.7-340 bar, usually from 34-179 bar, and solidification of the liquid phase begins. Therefore, the pressure gradually increases during the forming stroke and remains at a peak of 1.7-340 bar during solidification. The applied pressure promotes heat transfer from the metal-10 alloy to the mold and feeds the solidification shrinkage. If the pressure is too low, porosity can be at an unacceptable level or complicated molds can be filled incompletely. Pressures above 340 bar can be used but are not necessary. In addition, high pressures can cause venting problems. It is desirable to form the part at the lowest possible pressure as possible for reasons of process savings, simplicity of the press equipment, and for the life of the mold. The residence time in the mold cavity following the forming step should be sufficiently short, less than 1 minute, and preferably less than 4 seconds, in order to avoid hot cracking of the molded part by hot shrink stresses, but long enough to allow the solidification to occur. complete the liquid phase of the alloy. Specific times depend on the thickness of the part. The tendency for hot cracking to occur is a function of the alloy composition, the percentage of the solids, the mold temperature, and the configuration of the part.

Binnen de gebieden van de vormings- en vastwordingstijden als boven beschreven behoren de tijden uiteraard zo kort mogelijk te zijn om de t productiviteit maximaal te houden. Zoals blijkt uit de voorafgaande uiteenzetting zijn tijden, drukken, temperaturen en vaste stof gedeelten 30 van de legering een combinatie van kritische variabelen welke tezamen werken om de aanzienlijke werkwijzebesparingen en de verbeteringen van het product te bereiken.Within the areas of the formation and fixation times as described above, the times should of course be as short as possible in order to keep the productivity maximized. As can be seen from the foregoing, times, pressures, temperatures and solids portions of the alloy are a combination of critical variables that work together to achieve significant process savings and product improvements.

Het vormingsproces volgens de uitvinding kan bijvoorbeeld uitgevoerd worden in een 150-250 tons hydraulische pers voorzien van 35 matrijzen van de in fig. 1 getoonde soort. De bepaalde daar getoonde matrijs is van zodanige vorm dat hij een relatief grote ingewikkelde 790 54 71The molding process according to the invention can for instance be carried out in a 150-250 ton hydraulic press provided with dies of the kind shown in fig. 1. The particular die shown there is of such a shape that it has a relatively large complicated 790 54 71

Sf 6 vorm heeft, in dit geval een sterk gestyleerd automobielwiel.Sf 6 has shape, in this case a highly styled automotive wheel.

Het matrijsstel omvat een beweegbare bovenmatrijs of ram 1, twee zij-matrijzen 2 en 3 en een bodemmatrijs 4. De matrijzen zijn getoond in gesloten stand waarbij het legeringsmetaal 5 gevormd is tot een auto-5 mobielwiel.The die set comprises a movable top die or ram 1, two side dies 2 and 3 and a bottom die 4. The dies are shown in closed position with the alloy metal 5 formed into an auto-5 mobile wheel.

Een ander kenmerk van de uitvinding omvat de wijze waarop de matrijzen ontlucht worden. De lengte en de diameter van de ont-luchtingskanalen moeten van voldoende afmeting zijn om overvloedige ontluchting te verschaffen. Anderzijds moeten de kanalen doorgaans 10 voldoende nauw en lang zijn teneinde te verhinderen dat het gesmolten metaal naar het uitwendige van de matrijzen sproeit. Ontluchtingskanalen van gangbare afmeting van een diameter welke bijvoorbeeld gebruikt wordt in matrijsgieten zijn gebleken te nauw te zijn om luchtzakken in de persvormingswijze volgens de uitvinding te voorkomen. Gebleken is 15 echter dat het hoge bestanddeel vaste delen aanwezig gedurende de perscyclus van de onderhavige uitvinding toelaat dat wijdere en kortere ontluchtings kanalen gebruikt worden. Het resultaat is niet slechts de afwezigheid van luchtzakken in het gevormde product doch brengt minder beperkingen in het ontwerp van de matrijs met zich mee, dit laatste 20 daar minder oppervlak nodig is om voldoende ontluchting te bereiken.Another feature of the invention includes the manner in which the dies are vented. The length and diameter of the vent channels must be of sufficient size to provide abundant venting. On the other hand, the channels usually have to be sufficiently narrow and long to prevent the molten metal from spraying to the outside of the dies. Conventional size venting channels of a diameter used, for example, in die casting, have been found to be too narrow to prevent air pockets in the compression molding method of the invention. However, it has been found that the high constituent solids present during the pressing cycle of the present invention allow wider and shorter vent channels to be used. The result is not only the absence of air pockets in the molded product, but involves fewer limitations in the design of the mold, the latter since less surface area is required to achieve sufficient venting.

Vier van dergelijke ontluchtingskanalen 6, 7, 8 en 9 zijn getoond in doorsnede in fig. 1. Uit fig. 1 blijkt dat de vormingswerking in feite een samenvloeiende voorwaartse extrusie van half vast metaal omvat in de nauwe kanalen welke uitmonden in de ontluchtingskanalen 6 en 7, en 25 achterwaartse extrusie van half vast metaal in de kanalen welke leiden naar de ontluchtingskanalen 8 en 9 en een smeedslag in de richting van het centrale gedeelte van het metaal in de pers. Waar sprake is van "ingewikkelde" vormen wordt bedoeld delen aan te geven welke een dergelijke samenvloeiende voorwaartse en achterwaartse extrusie gecombineerd 30 met een smeedstap in het proces volgens de uitvinding vereisen.Four such venting channels 6, 7, 8 and 9 are shown in cross section in Fig. 1. From Fig. 1, it appears that the molding action actually comprises a confluent forward extrusion of semisolid metal into the narrow channels that flow into the venting channels 6 and 7, and 25 backward extrusion of semisolid metal into the channels leading to the vent channels 8 and 9 and a forging stroke towards the center of the metal in the press. Where "complex" shapes are involved, it is intended to indicate parts that require such a confluent forward and backward extrusion combined with a forging step in the process of the invention.

Het volgende voorbeeld dient als illustratie voor de praktijk van de werkwijze volgens de uitvinding. Tenzij anders aangegeven zijn alle delen per gewicht.The following example illustrates the practice of the method of the invention. Unless otherwise indicated, all parts are by weight.

Voorbeeld 35 Een 9 kg zware staaf van een 6061 smeedaluminiumlegering werd als beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 3 948 650 gegoten uit een 790 54 71 "ί 7 half vaste brei welke ongeveer 50% aan volume gedegenereerde dendriten bevat. De staaf was bij benadering 15 cm in diameter en had de volgende samenstelling:Example 35 A 9 kg heavy rod of a 6061 forged aluminum alloy was cast as described in U.S. Patent 3,948,650 from a 790 54 71 71 semi-solid knit containing approximately 50% volume of degenerate dendrites. The rod was approximately 15 cm in diameter and had the following composition:

Si Cr Mn Fe Mg Ti Cu B Al 5 0,63 0,06 0,06 0,22 0,90 0,012 0,24 0,002 RestSi Cr Mn Fe Mg Ti Cu B Al 5 0.63 0.06 0.06 0.22 0.90 0.012 0.24 0.002 Rest

De staaf welke opgenomen werd in een roestvrij stalen bus werd geplaatst binnen een weerstandsoven welke ingesteld was op een temperatuur van 677° C. Deze temperatuur bij benadering 28° C boven de vloei-baarheidsgrens van de legering was voldoende om gedeeltelijk smelten 10 van de legering te verkrijgen zonder aanzienlijke veranderingen in de vloeibaarheidsfractie binnen de staaf op te wekken. Bij een temperatuur van 632° C, overeenkomend met een gehalte vaste stof van ongeveer 0,80 zoals bepaald kon worden door het indringen van een gewogen sonde, werd de staaf in zijn bus overgebracht naar de gesloten bodemhelft van een 15 gietijzeren matrijsstel van de soort als getekend in fig. 1, op 315° C gehouden en uit de bus geworpen op de bodem van de matrijs. Het matrijsstel was bedekt met een smeermiddel op grafietbasis. De bovenmatrijs die ook weer op een oppervlaktetemperatuur van 315° C gehouden Was, werd dan gesloten bij een snelheid van 50 cm per minuut resulterend in een 20 voorvorm-vormingstijd van ongeveer 0,2 seconde waarbij binnen de matrijs een maximale druk van 2100 bar bereikt werd zodat de holte met legering opgevuld werd. Na een houdtijd onder druk van 2,4 seconde, gedurende welke de vloeibare fase van het deel vast werd, werd het matrijsstel geopend en het gevormde deel uitgenomen.The rod which was received in a stainless steel canister was placed inside a resistance furnace set at a temperature of 677 ° C. This temperature approximately 28 ° C above the alloy's fluidity limit was sufficient to partially melt the alloy obtainable without generating significant changes in the liquidity fraction within the bar. At a temperature of 632 ° C, corresponding to a solids content of about 0.80 as determined by the penetration of a weighted probe, the rod was transferred in its sleeve to the closed bottom half of a cast iron die set of the type as shown in Fig. 1, held at 315 ° C and ejected from the canister at the bottom of the die. The die set was covered with a graphite-based lubricant. The top die, which was also again maintained at a surface temperature of 315 ° C, was then closed at a speed of 50 cm per minute resulting in a preforming time of about 0.2 seconds, reaching a maximum pressure of 2100 bar within the die. so that the cavity was filled with alloy. After a holding time of 2.4 seconds under pressure, during which the liquid phase of the part solidified, the mold set was opened and the molded part was taken out.

25 Het gevormde onderdeel, een aluminium wiel, werd opgedeeld en monsters voor meting van de mechanische eigenschappen werden genomen. De monsters werden bij kamertemperatuur gemeten. De maximale treksterkte was 3200 bar, de vloeigrens was 2950 bar en de rek in een 2,5 cm proefstaaflengte was 7%. Minimale specificaties voor smeed-30 stukken van gesloten matrijzen van 6061 aluminium legering zijn gegeven in de Aluminium Standards and Data 1976, Fifth Edition, 1976 zijn 2600 bar treksterkte, 2400 bar vloeigjrens en 7% rek. Representatieve minimale specificaties van een automobielfabrikant voor gegoten aluminium wielen zijn 2150 bar treksterkte, 1140 bar vloeigrens en 35 7% rek.The formed part, an aluminum wheel, was divided and samples for measurement of the mechanical properties were taken. The samples were measured at room temperature. The maximum tensile strength was 3200 bar, the yield strength was 2950 bar and the elongation in a 2.5 cm test bar length was 7%. Minimum specifications for forged-30 pieces of closed die of 6061 aluminum alloy are given in the Aluminum Standards and Data 1976, Fifth Edition, 1976 are 2600 bar tensile strength, 2400 bar yield strength and 7% elongation. Representative automotive manufacturer's minimum specifications for cast aluminum wheels are 2150 bar tensile strength, 1140 bar yield strength and 35 7% elongation.

i 790 54 71 8 ' s' *ei 790 54 71 8 's' * e

Anders dan gesmede producten waarvan de eigenschappen richtingsafhankëlijk zijn, zijn de producten volgens de werkwijze volgens de uitvinding isotropisch, dat wil zeggen hun eigenschappen zijn in alle richtingen gelijk. De metallurgische structuur van het 5 wiel volgens het voorbeeld bestond uit een willekeurig georiënteerde gelijke korrelstructuur zonder de texture welke behoort bij gesmede componenten met soortgelijke eigenschappen.Unlike forged products, the properties of which are directionally dependent, the products according to the method of the invention are isotropic, i.e. their properties are the same in all directions. The metallurgical structure of the example wheel consisted of a randomly oriented equal grain structure without the texture associated with forged components with similar properties.

In fig. 2 en 3 is het gerede wiel in het algemeen aangegeven met 10. Het bovenaanzicht van fig. 3 toont het wiel gezien vanaf 10 de richting van de bodemmatrijs in fig. 1. Het wiel bevat een aantal ruwweg rechthoekige contouren 11 rond de omtrek waarbij elk van de contouren een geponst of verspaand bewerkt gat 12 bevat. Een naafgebied 13 bevat vier geboorde en getapte gaten 14 en vier grotere geponste of mechanisch verspaande gaten 15. Een wielconfiguratie van 15 deze ingewikkeldheid wordt normaal vervaardigd door permanente vorm of matrijsgiettechnieken en is bijgevolg beperkt in zijn eigenschappen tot de relatief laagwaardige eigenschappen van gegoten legeringen. De materiaaleigenschappen zijn derhalve een beperkende factor op het wiel-gewicht. Slechtere eigenschappen moeten gecompenseerd worden door meer 20 materiaal in het gegoten wiel. Bovendien zijn grotere doorsneden doorgaans nodig bij het gieten wegens inherente beperkingen in giettech-nieken; het is moeilijk een permanente gietvorm met dunne doorsneden te vullen. Derhalve hebben volgens de uitvinding vervaardigde wielen een zeer belangrijke mogelijkheid lichter in gewicht te zijn dan ver-25 gelijkbare wielen volgens de stand der techniek.In Figs. 2 and 3, the finished wheel is generally indicated by 10. The top view of Fig. 3 shows the wheel viewed from 10 in the direction of the bottom die in Fig. 1. The wheel contains a number of roughly rectangular contours 11 around the circumference, each of the contours including a punched or machined machined hole 12. A hub region 13 includes four drilled and tapped holes 14 and four larger punched or mechanically machined holes 15. A wheel configuration of this complexity is normally fabricated by permanent molding or die casting techniques and is therefore limited in its properties to the relatively low grade properties of cast alloys. The material properties are therefore a limiting factor on the wheel weight. Worse properties must be compensated for by more material in the cast wheel. In addition, larger cross sections are usually needed in casting due to inherent limitations in casting techniques; it is difficult to fill a permanent mold with thin cross sections. Therefore, wheels made according to the invention have a very important possibility of being lighter in weight than comparable wheels of the prior art.

Representatieve legeringen welke gebruikt zijn in de perssmeedwerkwijze zijn behalve aluminium legeringen, ijzer legeringen zoals roestvrij staal, gereedschapsstaal, laag gelegeerd staal en ijzer en koper legeringen van de soort die doorgaans bij gieten en smeden ge-30 bruikt wordt.Representative alloys used in the press forging process are, in addition to aluminum alloys, iron alloys such as stainless steel, tool steel, low alloy steel and iron and copper alloys of the kind commonly used in casting and forging.

Binnen de omvang van de bovenbeschreven procesparameters zijn vele variaties mogelijk teneinde deze aan te passen aan de geometrie of de speciale doeleinden van de gevormde component. Wijzigingen in de chemische samenstelling van de legering, temperatuur, snelheid 35 en druk van de pers en de verblijftijd in de matrijs kunnen de korrelstructuur beïnvloeden, krimpfouten vermijden en eigenschappen verlenen 790 5 4 71 9Many variations are possible within the scope of the above-described process parameters in order to adapt them to the geometry or special purposes of the formed component. Alterations in alloy chemical composition, press temperature, speed and pressure and mold residence time can affect grain structure, avoid shrinkage errors and impart properties 790 5 4 71 9

VV

aan specifieke gedeelten van de component. Bovendien kan de werkwijze toegepast worden voor de vervaardiging van een verscheidenheid van gevormde metalen delen anders dan wielen waaronder bijvoorbeeld handge-reedschappen, kleppen en pomplichamen en onderdelen, schroeven en 5 waaiers, onderdelen voor automobielen en instrumenten en elektrische onderdelen en onderdelen voor de scheepvaart.to specific parts of the component. In addition, the method can be used for the manufacture of a variety of shaped metal parts other than wheels including, for example, hand tools, valves and pump bodies and parts, screws and impellers, parts for automobiles and instruments and electrical parts and parts for shipping.

s > 790 54 71s> 790 54 71

Claims

A method of forming a metal alloy, characterized in that a batch of semi-solid metal alloy is formed in a closed mold cavity, the metal alloy containing discrete degenerate dendritic primary solid particles in a concentration of 30 to 90% volume based on the volume of the alloy, the primary solid particles being derived from the alloy and homogeneously suspended in a secondary liquid phase, the secondary liquid phase being derived from the alloy and having a lower melting point than the primary solid particles, the process consisting of shaping the metal alloy charge under pressure in the mold cavity in a time of less than one second, the mold cavity being previously heated to a temperature between about 100 to 450 ° C and the solidification of the flow bare phase of the formed alloy in the mold cavity takes place at a pressure between about 1.7 bar to 340 bar in a time of less r than a minute.

Method according to claim 1, characterized in that the metal alloy solidifies at a pressure of between 35 and 175 bar.

Method according to claim 1, characterized in that the cavity is kept at a temperature between 200 and 300 ° C.

4. A method according to claim 1, characterized in that the metal alloy is formed under a pressure in the mold cavity in a time of 0.1 to 0.5 seconds.

A method according to claim 1, characterized in that solidification of the liquid phase of the formed alloy under pressure occurs in the mold cavity in a time of less than 30 seconds.

The method according to claim 1, characterized in that the alloy is an aluminum alloy.

A method according to claim 1, characterized in that the alloy is a copper alloy.

A method according to claim 1, characterized in that the alloy is an iron alloy. 790 54 71 h

Process according to claim 1, characterized in that the concentration of the individual degraded denitritic primary solid particles is from 70 to 90% volume based on the volume of the alloy.

A method according to claim 1, characterized in that the molding process provides a metal alloy part of highly composite configuration with small tolerances.

11. A method according to claim 1, characterized in that the mold cavity has a way out to the outside air via a number of spatially separated channels which extend from the mold cavity to the outside air and wherein the channels are of such dimensions to contain trapped air in the sufficiently to remove the mold cavity during the pressing process. 4 790 54 71