NL7905472A - Automobielwiel. - Google Patents

Description

V

11. P. Kenney 2 * ITT INDUSTRIES, INC., te New York, Verenigde Staten van Noord-Amerika AUTOMOBIELWIEL.

De uitvinding heeft betrekking op een automobielwiel vervaardigd van een metaallegering en in het bijzonder op een automobielwiel van ingewikkelde vorm welke een integrerend product van een smeedpersproces is.

5 Automobielwielen en in het bijzonder die welke als "styled" wielen worden aangeduid, bezitten betrekkelijk ingewikkelde vormen en dienen daarom gewoonlijk door permanent vormgieten of matrijsgiettech-nieken vervaardigd te worden.

Aan dergelijke wielen zijn daarom beperkingen opgelegd door 10 de relatief lagere eigenschappen van de gietlegeringen in dergelijke vormgevende processen. De wielen kunnen worden gesmeed uit smeedlege-ringen doch dit met aanzienlijke beperkingen voor wat betreft hun geometrie of vorm. De wielen kunnen ook vervaardigd worden uit meerdere gesmede delen welke aan elkaar gelast worden doch alleen bepaalde lege-15 ringen kunnen gelast worden en ook deze fabricagetechniek stelt belangrijke vormbeperkingen. Het is daarom wenselijk om wielen te kunnen vervaardigen van samengestelde vorm welke toch de eigenschappen bezitten van smeedlegeringen.

Kortelings zijn bepaalde legeringen ontwikkeld met een micro-20 structuur welke zodanig is dat hij gegoten kan worden uit een vloei-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 25 beschreven is, kunnen gedeeltelijk uit vaste stof bestaande metaal-legeringen in de vorm van een brei gevormd worden tot onderdelen door een verscheidenheid van vormende processen waaronder matrijsgieten, permanente vorm gieten, gesloten matrijs smeden, heet persen en andere bekende technieken.

30 De uitvinding heeft nu ten doel een automobielwiel te ver schaffen met een ingewikkelde vorm welke normaal kenmerkend is voor 7905472 r' 2 gegoten wielen doch met eigenschappen welke die van wielen vervaardigd uit smeedlegeringen nabijkomen.

Verder heeft de uitvinding ten doel ingewikkeld gevormde automobielwielen te verschaffen welke vervaardigd zijn als een inte-5 graal product met nauwe toleranties door middel van een smeedproces met lage druk.

Verder heeft de uitvinding ten doel om een sterk gestyleerd aluminium autowiel te verschaffen dat voortreffelijke eigenschappen met een relatief ingewikkelde vorm combineert.

10 De uitvinding verschaft een autowiel uit een metaallegering dat is vervaardigd als een integraal product met nauwe toleranties door het onder druk vormen van een half-vast lading metaallegering in een gesloten matrijs waarbij de ladingmetaallegering bestaat uit afzonderlijk gedegenereerde dendritische primaire vaste deeltjes homogeen ge-15 suspendeerd in een secundaire vloeistoffase met een lager smeltpunt dan de primaire vaste deeltjes.

Aluminium legering wielen volgens de uitvinding combineren de ingewikkelde vorm welke normaal verbonden kan zijn met een gietproduct met sterkteeigenschappen welke met de minimum eisen voor gesmede alu-20 miniumlegering overeenkomen of die overtreffen.

Het proces van het vervaardigen van wielen volgens de uitvinding is het onderwerp van de Nederlandse octrooiaanvrage, getiteld: "Werkwijze voor het vormen van een gevormd product uit een metaalle-gering", welke gelijktijdig met de onderhavige octrooiaanvrage is inge-25 diend.

De uitvinding zal nu aan de hand van de tekening nader toegelicht worden. Daarin toont: fig. 1 een verticale doorsnede van matrijzen in de gesloten stand in een pers welke geschikt is voor gebruik bij de uitvinding; 9 30 fig. 2 een zijaanzicht van een in de pers volgens fig. 1 ver vaardigd automobielwiel, en fig. 3 een bovenaanzicht van het in fig. 2 getoonde wiel.

De gebruikte metaallading of voorvorm bij de werkwijze volgens de uitvinding is half-vast - een mengsel gedeeltelijk bestaande 35 uit vloeistof en gedeeltelijk uit vaste stof. De vaste deeltjes, welke tussen 30 en 90% van het totale volume uitmaken, zijn afgerond van vorm 790 54 72 3 en doorgaans tussen ongeveer 20 en 200 micron in diameter. Dit is het 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 5 deeltjes. De resulterende metaalsamenstelling is gekenmerkt door afzonderlijke gedegenereerde dendritische primaire vaste deeltjes welke homogeen gesuspendeerd zijn in een secundaire fase met een lager smeltpunt dan de primaire deeltjes. Zowel de primaire als de secundaire fasen zijn afgeleid van de metaallegering welke gedurende het vast 10 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.

De in het algemeen afgeronde aard van de afzonderlijke gedegenereerde dendritische deeltjes laat het toe om de vaste deeltjes 15 op een visceuze wijze te doen vloeien in een continue vloeistofinatrix.

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

De toegepaste drukken bij de werkwijze bestrijken een gebied van ongeveer 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 20 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 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 25 toe. Op zijn beurt laat dit toe dat wielen 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 bereikbare hoge productiesnelheden met dit proces; een realistische snelheid van bijvoorbeeld 240 automobielwielen per uur.

30 De snelle vastwording betekent dat nagenoeg alle doorsneden van een wiel met een gelijke dikte in doorsnede, terzelfdertijd vast worden en dus zeer snel uitgeworpen kunnen worden, gewoonlijk minder dan 4 seconden na het vormen voor legeringen met een hoog geleidings-vermogen zoals aluminium. Voor ijzer legeringen of wielen met een grote 35 doorsnede kan de vastwordingstijd oplopen tot 15-20 seconden, doch deze zal steeds minder dan een minuut bedragen en doorgaans aanzienlijk 790 54 72 <r 4 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 5 verdrongen materiaal of scheuren in het gevormde wiel.

Volgens de uitvinding voortgebrachte wielen bezitten vele van de eigenschappen van een gesmeed product doch kunnen complexe vormen hebben en toleranties in de vorm welke typisch zijn voor een gietproduct. De wielen kunnen vervaardigd worden onder gebruikmaking 10 van normale smeedlegeringen op basis van aluminium of ijzer met een trekspanning, vermoeidheid, breukgrens, buigzaamheid en weerstand tegen corrosie vergelijkbaar met die van gesmede producten welke uit deze legeringen vervaardigd zijn.

Volgens de beschreven werkwij ze zijn bijvoorbeeld automobiel-15 wielen vervaardigd die vele eigenschappen bezitten van gesmede wielen 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 20 verhit tot 10-70% van zijn volume vloeibaar wordt. Als boven vermeld is, is de voorvorm of lading tevoren vervaardigd door hevig roeren van een vloeibaar/vast mengsel van de uitgekozen legering welke dan snel af gekoeld werd. De temperatuur waarop de voorvorm verhit is ligt binnen het smelttraject van de bepaalde legering en kan voor het gekozen 25 legeringsstelsel variëren afhankelijk van de bepaalde chemische samenstelling. 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 30 aanwezige percentage vloeistof. Doorgaans wordt het drukgebied van 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 35 wil zeggen voordat hij af gekoeld is tot een staaf of voorvorm-.

Lage drukken kunnen toegepast worden om de voorverhitte 790 54 72 5 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 5 voorverhit tot een temperatuur van 100-450° C afhankelijk hoofdzakelijk van de configuratie van het onderdeel teneinde stolling van enig belang 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 10 de druk van nul tot de voor de stolling gebruikte druk. Bij het einde 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 stol-15 len. De aangelegde druk bevordert de warmteoverdracht van de metaal-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 20 hoge drukken ontlichtingsproblemen veroorzaken. Het is gewenst het 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 volgens op de vormingsstap moet voldoende kort zijn, minder dan 25 1 minuut en de bij voorkeur minder dan 4 seconden, teneinde hete 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 30 van de legeringssamenstelling, het percentage van de delen vaste stof, 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 productiviteit maximaal te houden. Zoals blijkt uit de voorafgaande 35 uiteenzetting zijn tijden, drukken, temperaturen en vaste stof gedeelten van de legering een combinatie van kritische variabelen welke tezamen 790 5 4 72 s · 6 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 5 matrijzen van de in fig. 1 getoonde soort. De bepaalde daar getoonde matrijs is van zodanige vorm dat een sterk gestyleerd automobielwiel verschaft wordt. Het matrijsstel omvat een beweegbare bovenmatrijs of ram 1, twee zijmatrijzen 2 en 3 en een bodemmatrijs 4. De matrijzen zijn getoond in gesloten stand waarbij het legeringsmetaal 5 gevormd is tot 10 een automobielwiel.

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 15 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 20 echter dat het hoge bestanddeel vaste delen aanwezig gedurende de perscyclus van de onderhavige uitvinding toelaat dat wijdere en kortere ontluchtingskanalen 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 25 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 30 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 35 met een smeedstap in het proces volgens de uitvinding vereisen.

Het volgende voorbeeld dient als illustratie voor de 790 54 72 7 praktijk van de werkwijze volgens de uitvinding. Tenzij anders aangegeven zijn alle delen per gewicht.

Voorbeeld

Een 9 kg zware staaf van een 6061 smeedaluminiumlegering werd als 5 beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 3 948 650 gegoten uit een 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 10 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 15 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 20 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 grafiebasis. 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 25 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.

30 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-35 stukken van gesloten matrijzen van 6061 aluminium legering zijn ge- 790 5 4 72

"V

8 geven in de Aluminium Standards and Data 1976, Fifth Edition, 1976 zijn 2600 bar treksterkte, 2400 bar vloeigrens en 7% rek. Representatieve minimale specificaties van een automobielfabrikant voor gegoten aluminium wielen zijn 2150 bar treksterkte, 1140 bar vloeigrens en 5 7% rek.

Anders dan gesmede producten waarvan de eigenschappen richtingsafhankelijk 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 10 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 15 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 20 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 25 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-30 gelijkbare wielen volgens de stand der techniek.

7905472

Claims (5)

1. Automobielwiel van ingewikkelde vorm vervaardigd van een metaallegering als een integraal product met nauwe toleranties door het vormen onder druk van een half-vaste lading metaallegering in een 5 gesloten matrijs, waarbij de lading metaallegering afzonderlijk gedegenereerde dendritische primaire vaste deeltjes bevat homogeen verdeeld in een secundaire vloeistof fase met een lager smeltpunt dan die van de primaire vaste deeltjes.

2. Automobielwiel volgens conclusie 1, met het 10 kenmerk, dat de metaallegering een aluminiumlegering is.

3. Automobielwiel volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat sterkteeigenschappen van het wiel ten minste overeenkomen met de minimum eisen voor gesmede aluminiumlegeringen.

4. Automobielwiel volgens conclusie 1, met het 15 kenmerk, dat de primaire vaste deeltjes in de lading metaallegering een concentratie bezitten van 30 tot 90% volume gebaseerd op het volume van de legering.

5. Automobielwiel volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de lading metaallegering gevormd wordt in de 20 matrijs in een tijd van minder dan ongeveer een seconde en dat de matrijs een temperatuur heeft tussen 100 tot 450° C en een stollen optreedt in minder dan een minuut bij een druk van ongeveer 1,7 tot 340 bar. 79054 72