NL7905471A - Werkwijze voor het vormen van een gevormd product uit een metaallegering. - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 71

V

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.

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.

Dit maakt de relatief lage druk bij het vormen van het onderdeel mogelijk.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 71

Sf 6 vorm heeft, in dit geval een sterk gestyleerd automobielwiel.

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.

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.

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.

Het volgende voorbeeld dient als illustratie voor de praktijk van de werkwijze volgens de uitvinding. Tenzij anders aangegeven zijn alle delen per gewicht.

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:

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 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.

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.

i 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.

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.

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.

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 9

V

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.

s > 790 54 71

Claims (11)

1. Werkwijze voor het vormen van een metaallegering, met het kenmerk, dat een lading half-vaste metaallegering in een gesloten vormholte wordt gevormd, waarbij de metaal- 5 legering afzonderlijke gedegenereerde dendritische primaire vaste deeltjes bevat in een concentratie van 30 tot 90% volume gebaseerd op het volume van de legering, waarbij de primaire vaste deeltjes afgeleid zijn van de legering en homogeen gesuspendeerd zijn in een secundaire vloeibare fase, waarbij de secundaire vloeibare fase afgeleid 10 is van de legering en een lager smeltpunt heeft dan de primaire vaste deeltjes, waarbij het proces bestaat uit het vormgeven van de lading metaallegering onder druk in de vormholte in een tijd van minder dan een seconde, waarbij de vormholte van tevoren verhit is tot een temperatuur tussen ongeveer 100 tot 450° C en het stollen van de vloei- 15 bare fase van de gevormde legering in de vormholte plaats vindt bij een druk tussen ongeveer 1,7 bar tot 340 bar in een tijd van minder dan een minuut.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de metaallegering stolt bij een druk van tussen 35 en 20 175 bar.

3. Werkwijze volgens conclsuie 1, met het ken merk, dat de holte gehouden wordt op een temperatuur tussen 200 en 300° C.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, met het ken- 25 merk, dat de metaallegering gevormd wordt onder een druk in de vormholte in een tijd van 0,1 tot 0,5 seconde.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, met het ken merk, dat het stollen van de vloeibare fase van de gevormde legering onder druk in de vormholte optreedt in een tijd van minder dan 30. seconden.

6. Werkwijze volgens conclusie 1, met het ken merk, dat de legering een aluminiumlegering is.

7. Werkwijze volgens conclusie 1, met het ken merk, dat de legering, een koper legering is.

8. Werkwijze volgens conclusie 1, met het ken merk, dat de legering een ijzerlegering is. 790 54 71 u s

9. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de concentratie van de afzonderlijke gedegeneerde den-dritische primaire vaste deeltjes van 70 tot 90% volume bedraagt, gebaseerd op het volume van de legering.

10. Werkwijze volgens conclusie 1, met het ken merk, dat het vormgevende proces een metaallegering onderdeel van zeer samengestelde configuratie met kleine toleranties verschaft.

11. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de vormholte een uitweg heeft naar de buitenlucht via 10 een aantal ruimtelijk gescheiden kanalen welke zich vanaf de vorm holte uitstrekken naar de buitenlucht en waarbij de kanalen van dusdanige afmetingen zijn om opgesloten lucht in de vormholte gedurende het persproces in voldoende mate af te voeren. 4 790 54 71