DE102011115333B4

DE102011115333B4 - Verfahren zum Bilden eines Bimetall-Schmiedeteils und Rohling zum Formen durch Schmieden

Info

Publication number: DE102011115333B4
Application number: DE102011115333.4A
Authority: DE
Inventors: Blair E. Carlson; Paul E. Krajewski
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2011-10-07
Publication date: 2016-06-09
Anticipated expiration: 2031-10-08
Also published as: DE102011115333A1; CN102441627A; CN102441627B; US8980439B2; US20120088116A1

Abstract

Verfahren zum Bilden eines Bimetall-Schmiedeteiles (30), wobei das Verfahren umfasst, dass:
ein erstes Element (12) vorgesehen wird, das aus einem ersten Metall hergestellt ist, wobei das erste Metall Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist;
ein zweites Element (16) vorgesehen wird, das aus dem ersten Metall hergestellt ist;
ein Einsatz (14) vorgesehen wird, der aus einem zweiten Metall hergestellt ist, wobei das zweite Metall Magnesium oder eine Magnesiumlegierung ist;
ein Rohling (10) gebildet wird, der aus dem ersten Element (12), dem zweiten Element (16) und dem Einsatz (14) besteht;
wobei der Rohling (10) derart ausgebildet wird, dass der Einsatz (14) von einer Schale (20) umschlossen ist, die durch das erste Element (12) und das zweite Element (16) definiert ist; und
der Rohling (10) geschmiedet wird, um das Schmiedeteil (30) zu bilden;
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Element (12) und das zweite Element (16) durch eine schmiedbare Naht (18) mittels Reibrührschweißen verbunden werden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft das Bilden eines Bimetallschmiedeteiles und insbesondere ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Rohling gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6, wie aus der WO 2010/067626 A1 bekannt.
Hintergrund
Aus Magnesium gebildete Komponenten bieten Vorteile wie z. B. ein hohes Festigkeit/Gewicht-Verhältnis im Vergleich zu ähnlich dimensionierten Komponenten, die aus Materialien auf Aluminium- oder Eisenbasis gebildet sind. Es wurden beispielsweise Räder aus Magnesium für spezialisierte Anwendungen wie z. B. Rennfahrzeugräder geschmiedet. Die Verwendung von Magnesiumrädern für Nicht-Spezialfahrzeuge war auf Grund des schlechten Korrosionsverhaltens von Magnesium beschränkt. Es wurden Beschichtungen, die auf die Oberfläche von Magnesiumkomponenten aufgebracht werden, um das Korrosionsverhalten des Magnesiums zu verbessern, wie z. B. Aluminiumdiffusions- oder diffundierte Aluminiumbeschichtungen entwickelt, allerdings macht das Abblättern und Absplittern der aufgebrachten Beschichtungen die Schutzwirkung der Beschichtung zunichte. Das Material, die Bearbeitungsdauer, die Ausrüstung, die Handhabung und der Transport und die damit verbundenen Kosten, die zum Aufbringen von Beschichtungen wie z. B. Aluminiumdiffusions- oder diffundierten Aluminiumbeschichtungen auf Magnesiumkomponenten in einem sekundären Prozess erforderlich sind, stellen Zeit- und Kostennachteile dar.
Der Erfindung liegt ausgehend von der WO 2010/067626 A1 die Aufgabe zu Grunde, die Korrosionsbeständigkeit eines Bimetall-Schmiedeteils zu verbessern.
Zusammenfassung
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Rohling mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
Das Verfahren umfasst, dass ein erstes Element, das im Wesentlichen aus einem ersten Metall hergestellt ist, ein zweites Element, das im Wesentlichen aus dem ersten Metall hergestellt ist, und ein Einsatz, der im Wesentlichen aus einem zweiten Metall hergestellt ist, vorgesehen werden. Es wird ein Rohling gebildet, der das erste Element, das zweite Element und den Einsatz umfasst. Der Rohling ist derart ausgebildet, dass der Einsatz im Wesentlichen von einer Schale umschlossen sein kann, die durch das erste Element und das zweite Element definiert ist. Das erste Element und das zweite Element werden funktionell verbunden, um die Schale weiter zu definieren. Der Rohling wird geschmiedet, um ein Bimetallschmiedeteil zu bilden. Das Bimetallschmiedeteil umfasst einen äußeren Abschnitt, der durch die Schale definiert ist, einen inneren Abschnitt, der durch den Einsatz definiert ist, und eine Grenzflächenschicht zwischen dem inneren Abschnitt und dem äußeren Abschnitt. Das erste Metall ist Aluminium oder eine Aluminiumlegierung und das zweite Metall ist Magnesium oder eine Magnesiumlegierung. In einem nicht einschränkenden Beispiel ist der Rohling ausgestaltbar, um durch Schmieden zu einem Rad zur Verwendung an einem Fahrzeug geformt zu werden, und derart ausgebildet, dass der äußere Aluminiumabschnitt den inneren Magnesiumabschnitt im Wesentlichen umschließt, um dadurch ein Schmiedeteil mit einem hohen Festigkeit/Gewicht-Verhältnis und einer Außenhaut aus Aluminium für ein verbessertes Korrosionsverhalten bereitzustellen.
Der Rohling umfasst ein erstes Element, das im Wesentlichen aus einem ersten Metall hergestellt ist, ein zweites Element, das im Wesentlichen aus dem ersten Metall hergestellt ist, und einen Einsatz, der im Wesentlichen aus einem zweiten Metall hergestellt ist. Das erste Element und das zweite Element sind in engem Kontakt miteinander und dem Einsatz ausgebildet, sodass das erste Element und das zweite Element eine Schale definieren, die den Einsatz im Wesentlichen umschließt. Das erste Element und das zweite Element sind funktionell verbunden, um die Schale zu definieren. Das erste Metall besteht im Wesentlichen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und das zweite Metall besteht im Wesentlichen aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung. Der Rohling kann ferner ein drittes Element in engem Kontakt mit dem Einsatz und dem ersten Element und/oder dem zweiten Element umfassen, sodass das erste Element, das zweite Element und das dritte Element die Schale definieren, die den Einsatz im Wesentlichen umschließt. Der Einsatz kann als ein Gussteil ausgebildet sein. Das erste Element und/oder das zweite Element kann/können als ein Gussteil oder ein Strangpressteil ausgebildet sein. Die Schale und der Einsatz können derart ausgebildet sein, dass die Schale mit dem Einsatz nicht konzentrisch ist, oder die Schale kann eine ungleichmäßige Dicke aufweisen, sodass der äußere Abschnitt des dadurch definierten Schmiedeteiles eine ungleichmäßige Dicke aufweisen kann, um z. B. in einigen Bereichen des Schmiedeteiles zusätzliches Material bereitzustellen, um z. B. die Festigkeit des äußeren Abschnittes in diesen Bereichen zu verbessern, oder um einen zusätzlichen Materialvorrat für sekundäre Endbearbeitungsschritte wie z. B. maschinelles Bearbeiten oder Oberflächenendbehandlungen bereitzustellen.
Aus dem Rohling kann ein Bimetallschmiedeteil gebildet werden. Das Bimetallschmiedeteil umfasst einen äußeren Abschnitt, der im Wesentlichen aus einem ersten Metall hergestellt und durch einen Schalenabschnitt des Rohlings definiert ist, einen inneren Abschnitt, der im Wesentlichen aus einem zweiten Metall hergestellt und durch einen Einsatzabschnitt des Rohlings definiert ist, und eine Grenzflächenschicht, die eine metallurgische Bindung zwischen dem äußeren Abschnitt und dem inneren Abschnitt definiert. Das erste Metall ist Aluminium oder eine Aluminiumlegierung und das zweite Metall ist Magnesium oder eine Magnesiumlegierung. Die Grenzflächenschicht kann durch eine intermetallische Schicht definiert sein, die zumindest das erste Metall und das zweite Metall umfasst. Das Schmiedeteil kann derart ausgebildet sein, dass der äußere Abschnitt den inneren Abschnitt im Wesentlichen umschließt. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann das Bimetallschmiedeteil als ein Rad für ein Fahrzeug ausgebildet sein.
Die oben stehenden Merkmale sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten, die Erfindung auszuführen, in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ohne weiteres verständlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische perspektivische Explosionsansicht eines Bimetallrohlings;
2 ist eine schematische perspektivische Veranschaulichung des Rohlings von 1;
3 ist eine schematische perspektivische Explosionsansicht einer alternativen Ausgestaltung eines Bimetallrohlings;
4 ist eine schematische perspektivische Veranschaulichung des Rohlings von 3;
5A ist eine Draufsicht eines unter Verwendung des Rohlings von 2 oder 4 gebildeten Schmiedeteiles;
5B ist eine schematische Querschnittsansicht des Schmiedeteiles von 5A;
6A ist eine schematische Querschnittsansicht des Rohlings von 2 oder 4;
6B ist eine schematische Querschnittsansicht einer alternativen Ausgestaltung des Rohlings von 2 oder 4;
7A ist eine schematische Querschnittsansicht einer alternativen Ausgestaltung des Rohlings von 2 oder 4; und
7B ist eine schematische Querschnittsansicht einer alternativen Ausgestaltung des Rohlings von 2 oder 4;
Detaillierte Beschreibung
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern in den verschiedenen Fig. durchweg gleiche Komponenten bezeichnen, kann es sein, dass die in den 1–7B gezeigten Elemente unter Umständen nicht maßstabsgetreu oder proportioniert sind.
1 zeigt eine Explosionsansicht eines Rohlings 10, der auch als eine Rohlinggruppe oder ein Schmiedeteilrohling bezeichnet werden kann, wobei der Rohling 10 zum Formen durch Schmieden ausgestaltbar ist. Der Rohling 10 besteht aus einem ersten Element 12, das im Wesentlichen aus einem ersten Metall hergestellt ist, einem zweiten Element 16, das im Wesentlichen aus dem ersten Metall hergestellt ist, und einem Einsatz 14, der im Wesentlichen aus einem zweiten Metall hergestellt ist. Das erste Metall besteht im Wesentlichen aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder einem Material mit einer Zusammensetzung vorwiegend aus Aluminium und das zweite Metall besteht im Wesentlichen aus Magnesium, einer Magnesiumlegierung oder einem Material mit einer Zusammensetzung vorwiegend aus Magnesium.
Das erste Element 12, das auch als ein erstes Gehäuseelement bezeichnet werden kann, definiert eine Fläche 13, die allgemein als die innen liegende oder innere Fläche 13 des ersten Elements 12 ausgebildet ist. Die Fläche 13 definiert einen Hohlraum oder eine Öffnung in dem ersten Element 12. Das zweite Element 16, das auch als ein zweites Gehäuseelement bezeichnet werden kann, definiert eine Fläche 17, die allgemein als die innen liegende oder innere Fläche 17 des zweiten Elements 16 ausgebildet ist. Die Fläche 17 definiert einen Hohlraum oder eine Öffnung in dem Element 16. Das erste und das zweite Element 12, 16 können ähnlich ausgebildet sein, müssen es jedoch nicht sein. Das erste und das zweite Element 12, 16 können in einem nicht einschränkenden Beispiel als ein Gussteil, Schmiedeteil oder Strangpressteil ausgebildet sein und können ferner durch sekundäre Bearbeitung, welche zusätzliches Formen, maschinelles Bearbeiten, Wärmebehandeln oder Oberflächenbehandlungsschritte umfasst, jedoch nicht darauf beschränkt ist, ausgebildet sein.
Der Einsatz 14 definiert eine Fläche 15, die allgemein als die außen liegende oder äußere Fläche 15 des Einsatzes 14 ausgebildet ist. Der Einsatz 14 kann als ein nicht einschränkendes Beispiel als ein Gussteil, Schmiedeteil oder Strangpressteil ausgebildet sein, das durch sekundäre Bearbeitung, welche zusätzliche Form-, maschinelle Bearbeitungs-, Wärmebehandlungs- oder Oberflächenbehandlungsschritte umfasst, jedoch nicht darauf beschränkt ist, weiter ausgestaltet werden kann.
In dem nicht einschränkenden Beispiel, das in den 1 und 2 gezeigt ist, sind das erste und das zweite Element 12, 16 als allgemein zylindrische Elemente ausgebildet, von denen jedes ein umschlossenes Ende und einen durch eine jeweilige innere Fläche 13, 17 definierten Hohlraum aufweist. Der Einsatz 14 ist allgemein als ein im Wesentlichen massiver Zylinder ausgebildet, sodass der Einsatz 14 in die allgemein zylindrischen Hohlräume, die durch die inneren Flächen 13, 17 definiert sind, eingesetzt werden kann, um den Rohling 10 zu bilden. Der Einsatz 14 kann mithilfe eines beliebigen geeigneten Verfahrens in die Gehäuseteile 12, 16 eingesetzt werden, welches als ein nicht einschränkendes Beispiel das Einstecken oder Drücken des Einsatzes 14 in die durch die Flächen 13, 17 definierten Hohlräume der Elemente 12, 16 umfassen kann. Die Flächen 13, 15, 17 können, z. B. durch Verjüngen der jeweiligen Flächen oder durch Rändeln oder Hinterarbeiten einer oder mehrerer von den Flächen ausgebildet oder verändert werden, um den Zusammenbau des Rohlings 10 zu erleichtern. Eine oder mehrere der verbundenen Flächen 13, 15, 17 können mit einer Beschichtung oder einem Schmiermittel wie z. B. einer Graphit- oder einer Bornitridbeschichtung geschmiert sein, um den Zusammenbau des Einsatzes 14 und der Elemente 12, 16 zu erleichtern.
Es kann eine Beschichtung, die im Wesentlichen aus einem dritten Metall besteht, auf die äußere Fläche 15 des Einsatzes 14 aufgebracht werden, sodass während des Schmiedevorganges das dritte Metall einen intermetallischen oder einen Metall-Matrix-Verbund mit einem oder beiden von dem ersten Metall und dem zweiten Metall bilden kann. Das die Beschichtung umfassende dritte Metall kann z. B. eines von Silber, Zinn, Zink, Kupfer oder Aluminiumoxid sein. Die Beschichtung kann z. B. durch thermisches Spritzen, Kaltspritzen, Plasmaspritzen oder ein beliebiges geeignetes Verfahren auf die Fläche 15 des Einsatzes 14 aufgebracht werden. Alternativ kann die das dritte Metall umfassende Beschichtung auf die inneren Flächen 13, 17 der Elemente 12, 16 aufgebracht werden, anstatt die Beschichtung auf die Fläche 15 des Einsatzes 14 oder zusätzlich aufzubringen.
2 zeigt den Rohling 10, der durch funktionelles Zusammenbauen des ersten Elements 12, des zweiten Elements 16 und des Einsatzes 14 gebildet ist, sodass die inneren Flächen 13, 17 des ersten bzw. zweiten Elements 12, 16 in engem Kontakt mit der äußeren Fläche 15 des Einsatzes 14 stehen, um eine Grenzfläche 19 zu definieren, und sodass das erste und das zweite Element 12, 16 in engem Kontakt stehen, um eine Verbindung 18 zu definieren. Die Verbindung 18 kann als eine Naht ausgebildet sein, die durch funktionelles Verbinden des ersten Elements 12 und des zweiten Elements 16 gebildet wird. Insbesondere werden das erste und das zweite Element 12, 16 mittels Reibrührschweißen verbunden, um die Naht 18 zu bilden, wobei der Reibrührschweißprozess eine durch eine feinkörnige Mikrostruktur definierte Naht 18 bereitstellt, die zum Formen durch Schmieden geeignet ist.
Der Rohling 10 kann derart ausgebildet sein, dass der Einsatz 14 im Wesentlichen von einer Schale 20 umschlossen sein kann, die durch das erste Element 12 und das zweite Element 16 definiert ist. Die Schale 20 kann eine äußere Fläche 29 umfassen. Das „im Wesentlichen Umschließen” des Einsatzes 14 mit der Schale 20 kann umfassen, dass die Schale 20 derart ausgebildet ist, dass sie bis auf einen unwesentlichen Bereich die gesamte äußere Fläche 15 des Einsatzes 14 umschließt, sodass, wenn der Rohling 10 geschmiedet wird, das aus dem Rohling 10 gebildete Bimetallschmiedeteil 30 (siehe 5A und 5B) einen durch die Schale 20 definierten äußeren oder Hautabschnitt 32 und einen durch den Einsatz 14 definierten inneren oder Kernabschnitt 34 umfasst. Der Hautabschnitt 32 des so gebildeten Schmiedeteiles 30 kann den Kernabschnitt 34 im Wesentlichen umschließen, sodass das den Hautabschnitt 32 umfassende Aluminium eine Korrosionsschutzschicht definiert oder bereitstellt, welche das den Kernabschnitt 34 umfassende Magnesium im Wesentlichen abdeckt, um somit die Exposition des den Kernabschnitt 34 umfassenden Materials auf Magnesiumbasis gegenüber Korrosionsfaktoren und Milieus einzuschränken, um dadurch das Korrosionsverhalten des Schmiedeteiles 30 zu verbessern.
Die 3 und 4 zeigen eine alternative Ausgestaltung des Rohlings 10. 3 zeigt eine Explosionsansicht des Rohlings 10, der aus einem ersten Element 22, das im Wesentlichen aus einem ersten Metall hergestellt ist, einem zweiten Element 26, das im Wesentlichen aus dem ersten Metall hergestellt ist, einem dritten Element 24, das im Wesentlichen aus dem ersten Metall hergestellt ist, und dem Einsatz 14, der im Wesentlichen aus einem zweiten Metall hergestellt ist, besteht. Das erste Metall besteht im Wesentlichen aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder einem Material mit einer Zusammensetzung vorwiegend aus Aluminium, und das zweite Metall besteht im Wesentlichen aus Magnesium, einer Magnesiumlegierung oder einem Material mit einer Zusammensetzung vorwiegend aus Magnesium.
Das erste Element 22, das auch als ein erstes Gehäuseelement bezeichnet werden kann, definiert eine Fläche 23, die allgemein als die innen liegende oder innere Fläche 23 des ersten Elements 22 ausgebildet ist. Das zweite Element 26, das auch als ein zweites Gehäuseelement bezeichnet werden kann, definiert eine Fläche 27, die allgemein als die innen liegende oder innere Fläche 27 des zweiten Elements 26 ausgebildet ist. Das dritte Element 24, das auch als ein drittes Gehäuseelement bezeichnet werden kann, definiert eine Fläche 25, die allgemein als die innen liegende oder innere Fläche 25 des dritten Elements 24 ausgebildet ist. Die Fläche 25 definiert eine/n Hohlraum oder Öffnung in dem Element 24. Das erste und das zweite Element 22, 26 können, müssen aber nicht ähnlich ausgebildet sein. Das erste, das zweite und das dritte Element 22, 24, 26 können als ein nicht einschränkendes Beispiel als ein Gussteil, ein Schmiedeteil, ein Pressstanzteil oder ein Strangpressteil ausgebildet sein, das einer sekundären Bearbeitung einschließlich zusätzlicher Form-, maschinellen Bearbeitungs-, Wärmebehandlungs- oder Oberflächenbehandlungsschritte unterzogen werden kann.
Der Einsatz 14 ist wie für die 1 und 2 beschrieben definiert und definiert eine äußere Fläche 15. In dem nicht einschränkenden Beispiel, das in den 3 und 4 gezeigt ist, sind das erste und das zweite Element 22, 26 als allgemein zylindrische Platten ausgebildet, und das dritte Element 24 ist allgemein als ein hohler Zylinder ausgebildet, wobei der hohle Abschnitt des Zylinders durch die Fläche 25 definiert ist. Der Einsatz 14 ist allgemein als ein massiver Zylinder ausgebildet, sodass der Einsatz 14 in den durch die innere Fläche 25 des dritten Elements 24 definierten allgemein zylindrischen Hohlraum eingesetzt oder gepasst werden kann. Nachdem der Einsatz 14 in das dritte Element 24 gepasst wurde, ist durch jedes Ende des Einsatzes 14 und die benachbarte Fläche 25 ein hohler Raum oder Hohlraum definiert, sodass jedes von dem ersten und dem zweiten Element 22, 26 an einem jeweiligen Ende des dritten Elements 24 und in der Nähe eines jeweiligen Endes des Einsatzes 14 in den hohlen Raum gepasst werden kann, um den in 4 gezeigten Rohling 10 zu bilden. Der Ersatz 14 und die Elemente 22, 26 können mithilfe eines beliebigen geeigneten Verfahrens in das Gehäuse 24 gepasst werden, welches als ein nicht einschränkendes Beispiel das Einstecken oder Drücken des Einsatzes 14 in den durch die Fläche 25 definierten Innenraum des Elements 24 umfassen kann. Die verbundenen Flächen der Elemente 22, 24, 26 und des Einsatzes 14 können z. B. durch Verjüngen der jeweiligen Flächen oder durch Rändeln oder Hinterarbeiten einer oder mehrerer von den Flächen ausgebildet oder verändert werden, um den Zusammenbau des Rohlings 10 zu erleichtern. Eine oder mehrere der verbundenen Flächen der Elemente 22, 24, 26 und des Einsatzes 14 können mit einer Beschichtung oder einem Schmiermittel wie z. B. einer Graphit- oder einer Bornitridbeschichtung geschmiert sein, um den Zusammenbau des Einsatzes 14 und der Elemente 22, 24 und 26 zu erleichtern.
In einem nicht einschränkenden Beispiel kann eine Beschichtung, die im Wesentlichen aus einem dritten Metall besteht, auf die äußere Fläche 25 des Einsatzes 14 aufgebracht werden, sodass das dritte Metall während des Schmiedeprozesses einen intermetallischen oder einen Metall-Matrix-Verbund mit einem oder beiden von dem ersten Metall und dem zweiten Metall bilden kann. Das die Beschichtung umfassende dritte Metall kann z. B. eines von Silber, Zinn, Zink, Kupfer oder Aluminiumoxid sein. Die aus dem dritten Metall bestehende Beschichtung kann z. B. durch thermisches Spritzen, Kaltspritzen, Plasmaspritzen oder ein beliebiges geeignetes Verfahren auf die Fläche 15 des Einsatzes 14 aufgebracht werden. Alternativ kann die das dritte Metall umfassende Beschichtung auf die inneren Flächen 23, 25, 27 der Elemente 22, 24, 26 aufgebracht werden, anstatt die Beschichtung auf die Fläche 15 des Einsatzes 14 oder zusätzlich aufzubringen.
4 zeigt den Rohling 10, der durch funktionelles Zusammenbauen des ersten, des zweiten und des dritten Elements 22, 26, 24 und des Einsatzes 14 gebildet ist, sodass die inneren Flächen 23, 25, 27 des ersten, des zweiten bzw. des dritten Elements 22, 26, 24 in engem Kontakt mit der äußeren Fläche 15 des Einsatzes 14 stehen, um eine Grenzfläche 19 zu definieren. Ferner ist der Rohling 10 derart gebildet, dass das erste und das zweite Element 22, 26 jeweils in engem Kontakt mit dem dritten Element 24 stehen, und dass zwischen den Elementen 22 und 24 eine Verbindung 28 definiert ist und eine weitere Verbindung 28 zwischen den Elementen 26 und 24 definiert ist. Jede Verbindung 28 kann als eine Naht ausgebildet sein. Insbesondere werden das erste und das dritte Element 22, 24 mittels Reibrührschweißen verbunden, um die Naht 28 zu bilden, wobei der Reibrührschweißprozess eine durch eine feinkörnige Mikrostruktur definierte Naht 28 bereitstellt, die zum Formen durch Schmieden geeignet ist. Der Rohling 10 kann derart ausgebildet sein, dass der Einsatz 14 von einer Schale 20 im Wesentlichen umschlossen sein kann, die durch das erste, das zweite und das dritte Element 22, 26 und 24 definiert ist, wie für den Rohling 10 in Bezug auf die 1 und 2 beschrieben.
Es sind weitere Ausgestaltungen einer Vielzahl von Gehäuseelementen möglich, die eine Schale 20 aus einem ersten Metall definieren können, welche, wenn sie mit einem Einsatz 14 aus einem zweiten Metall zusammengesetzt ist, einen Rohling 10 definiert, wobei die Schale 20 ausgebildet sein kann, um den Einsatz 14 im Wesentlichen zu umschließen. Es sind weitere Ausgestaltungen von Gehäuseelementen und Einsätzen möglich, von denen einige in den 6A–7B in einer Querschnittsansicht durch den Einsatz 10 durch einen in den 2 und 4 gezeigten Schnitt A-A gezeigt und hierin in weiteren Einzelheiten beschrieben sind.
Der Rohling 10 kann geschmiedet werden, um ein in 5A gezeigtes Bimetallschmiedeteil 30 zu bilden, welches in einem nicht einschränkenden Beispiel als ein Rad 30 ausgebildet ist, das zur Verwendung in einem Fahrzeug geeignet ist. 5B zeigt eine schematische Querschnittsansicht des geschmiedeten Rades 30 durch einen Schnitt B-B, wie in 5A gezeigt. Der Rohling 10 kann in Vorbereitung auf das Schmieden vorgewärmt werden und kann mithilfe eines beliebigen geeigneten Schmiedeverfahrens einschließlich Freiformschmieden und Gesenkschmieden zu dem Schmiedeteil 30 geschmiedet werden. Der Rohling 10 wird geschmiedet, um das Schmiedeteil 30 zu bilden, welches einen äußeren oder Hautabschnitt 32, der durch die Schale 20 des Rohlings 10 definiert ist und als solcher im Wesentlichen aus dem ersten Metall besteht, einen inneren oder Kernabschnitt 34, der durch den Einsatz 14 definiert ist und als solcher im Wesentlichen aus dem zweiten Metall besteht, und eine Grenzflächenschicht 36 dazwischen umfasst. Die Grenzflächenschicht 36 stellt eine metallurgische Bindung zwischen dem inneren Abschnitt 34 und dem äußeren Abschnitt 32 bereit und kann ferner durch eine intermetallische Schicht definiert sein, die das erste Metall und das zweite Metall umfasst.
In einer alternativen Ausgestaltung kann, wie zuvor erläutert, eine Beschichtung, die im Wesentlichen aus einem dritten Metall besteht, auf die äußere Fläche 15 des Einsatzes 14 und/oder die inneren Flächen der Gehäuseelemente aufgebracht sein, sodass das dritte Metall der Beschichtung während des Schmiedeprozesses einen intermetallischen und/oder einen Metall-Matrix-Verbund mit einem oder beiden von dem ersten Metall und dem zweiten Metall bilden kann, die/der die Grenzflächenschicht 36 definiert. Die Bildung der intermetallischen Verbindung durch Diffusionsbindung und/oder die Bildung des Metall-Matrix-Verbundes kann aktiviert werden, wenn der Rohling in Vorbereitung auf das Schmieden oder während des Schmiedeschrittes vorgewärmt wird. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann das die Beschichtung umfassende dritte Metall eines von Silber, Zinn, Zink, Kupfer oder Aluminiumoxid sein und es kann sich mit dem Material auf Magnesiumbasis des Einsatzes und/oder dem Material auf Aluminiumbasis des Gehäuses verbinden, um entweder eine intermetallische Verbindung zu bilden, die weniger spröde ist als eine intermetallische Magnesium-Aluminium-Verbindung, z. B. Mg₁₇Al₁₂, die sich in der Grenzflächenschicht 36 während des Schmiedeprozesses bei Nichtvorhandensein der Beschichtung bilden kann, oder um einen Metall-Matrix-Verbund zu bilden, der die mechanischen Eigenschaften der Grenzflächenschicht 36 verbessern kann.
Das erste Metall ist ein Material im Wesentlichen auf Aluminiumbasis, und das zweite Metall ist ein Material im Wesentlichen auf Magnesiumbasis, und das Rad 30 wird derart gebildet und ausgebildet, dass der äußere Aluminiumabschnitt 32 den inneren Magnesiumabschnitt 34 im Wesentlichen umschließt, um dadurch ein geschmiedetes Rad 30 mit einem hohen Festigkeit/Gewicht-Verhältnis und einer Außenhaut 32 aus Aluminium für ein verbessertes Korrosionsverhalten bereitzustellen. Der Aluminiumhautabschnitt 32 sorgt für eine Korrosionsschutzschicht, welche das den Kernabschnitt 34 umfassende Magnesium im Wesentlichen abdeckt, um somit die Exposition des den Kernabschnitt 34 umfassenden Materials auf Magnesiumbasis gegenüber Korrosionsfaktoren und Milieus einzuschränken, um dadurch das Korrosionsverhalten des Rades 30 zu verbessern.
Durch die Bimetallausgestaltung des Rades 30 kann eine Verbesserung weiterer Leistungsmerkmale des Rades 30 wie z. B. der Temperaturwechselbeständigkeit bereitgestellt werden.
Der Einsatz 14 und die Schale 20 können derart ausgebildet sein, dass der Einsatz 14 mit der Schale 20 nicht konzentrisch oder nicht symmetrisch ist. Die Schale 20 kann eine ungleichmäßige Dicke aufweisen. Der äußere Abschnitt 32 des Schmiedeteiles 30, der durch eine ungleichmäßige oder nicht symmetrische Schale 20 definiert ist, kann eine ungleichmäßige Dicke aufweisen, um eine dickere Haut 32 in bestimmten Bereichen der Oberfläche des Rades 30 zu definieren, um zusätzliches Material bereitzustellen, um die Festigkeit des äußeren Abschnittes 32 in diesen Bereichen zu verbessern, oder um zusätzliches Vorratsmaterial für sekundäre Endbearbeitungsschritte wie z. B. maschinelles Bearbeiten oder Oberflächenendbehandlungen bereitzustellen. Es kann z. B. eine dickere Haut 32 an der außen liegenden oder sichtbaren Fläche des Rades 30, wie an dem Fahrzeug montiert, oder an der Felge des Rades 30 vorgesehen sein, um ein Überschussmaterial bereitzustellen, um die sichtbare Fläche des Rades 30 zu bilden oder einer Endbearbeitung zu unterziehen, oder um die Wulst- oder Reifenmontagefläche der Felge zu bilden oder einer Endbearbeitung zu unterziehen und/oder um einen zusätzlichen Korrosionsschutz vor Kerben, Kratzern, Steinschlag, Straßenschmutz oder anderen korrosiven Umgebungselementen in diesen Bereichen bereitzustellen.
Im Wissen, dass Aluminium dichter ist als Magnesium, kann die Dicke des äußeren Abschnitts 32 des Schmiedeteiles 30 ungleichmäßig sein, um eine dünnere Haut 32 in einigen Bereichen der Oberfläche des Rades 30 zu definieren, sodass der Aluminiumabschnitt 32 in diesen Bereichen einen nominellen Korrosionsschutz an den Magnesiumabschnitt 34 des Rades 30 bereitstellt, um den Gewichtsbeitrag des Aluminiumabschnittes 32 des Rades zu minimieren und um das Festigkeit/Gewicht-Verhältnis des Rades 30 zu maximieren. Es kann z. B. eine dünnere Haut 32 an Teilstücken des Rades 30 vorgesehen sein, die durch einen Fahrzeugreifen und eine Radkappe oder Zierkappe im Wesentlichen abgedeckt sein können, sodass diese Teilstücke der Straßenumgebung in minimalem Ausmaß ausgesetzt sein können.
Die Dicke der Schale 20 kann über die Oberfläche des Rohlings 10 hinweg variiert sein, um das relative Fließverhalten des Aluminiumabschnittes 20 und des Magnesiumabschnittes 14 in dem Schmiedewerkzeug während des Schmiedens des Schmiedeteiles 30 zu beeinflussen. Ferner kann der Materialfluss während des Schmiedeprozesses lokal variiert werden, z. B. in lokalen Bereichen des Rohlings 10 variiert werden, indem die Mikrostruktur der Schale 20 variiert wird. Es können z. B. bestimmte Gebiete oder Bereiche der Schale 20, in denen ein erhöhter Materialfluss während des Schmiedens erwünscht ist, einer Reibrührbearbeitung unterzogen werden, was eine feine Kornstruktur in den bearbeiteten Bereichen zur Folge hat, die während des Schmiedens bevorzugt fließen werden, um die Verteilung der Dicke des Hautabschnittes 32 auf dem Schmiedeteil 30 zu beeinflussen. Diese Bereiche mit einer feinen Kornstruktur können durch eine erhöhte Ermüdungsbeständigkeit charakterisiert sein.
Es wären mehrere Ausgestaltungen eines Rohlings 10 möglich, um z. B. eine variierende Dicke und Verteilung des Hautabschnittes 32 über die Oberfläche des Kernabschnittes 34 des Schmiedeteiles hinweg vorzusehen. 6A zeigt eine Querschnittsansicht des Rohlings 20 durch einen Schnitt A-A, wie in den 2 und 4 gezeigt. Wie für die 1–4 erläutert, ist der Rohling 10 durch einen Einsatz 14, eine Schale 20 und eine Grenzfläche 19 dazwischen definiert. Die Schale 20 ist durch eine äußere Fläche 20 definiert. In dem in 6A gezeigten nicht einschränkenden Beispiel ist der Querschnitt des Einsatzabschnittes 14 allgemein rund und er ist allgemein konzentrisch mit dem allgemein kreisringförmigen Querschnitt der Schale 20, sodass die Grenzfläche 19 und die äußere Fläche 29 beide allgemein kreisförmig und konzentrisch zueinander sind.
In einer weiteren Ausgestaltung, die in 6B gezeigt ist, ist die Schale 20 in der gezeigten Querschnittsansicht durch eine die Grenzfläche 19 bildende allgemein kreisförmige innere Fläche definiert, welche zu der äußeren Fläche 29 der Schale 20 exzentrisch ist, um dadurch jeweils dünnere und dickere Bereiche der Aluminiumschale 20 bereitzustellen. Wenn der Rohling 10 zu dem Rad 30 geformt wird, können die dünneren und dickeren Teilstücke der Schale 20 während des Schmiedeprozesses verformt werden, um Bereiche ungleichmäßiger Dicke in dem Hautabschnitt 32 des resultierenden Schmiedeteiles 30 vorzusehen.
Die 7A und 7B zeigen alternative Ausgestaltungen des Einsatzes 14 und der Schale 20, die den Rohling 10 bilden, wobei die Grenzfläche 19 und die äußere Fläche 29 in der gezeigten Querschnittsansicht variierende Formen aufweisen, um dünnere und dickere Bereiche aus Aluminium vorzusehen, die derart orientiert oder ausgebildet sein können, dass sie mit bestimmten Merkmalen des daraus gebildeten Rades 30 zusammenfallen. Die dünneren Abschnitte aus Aluminium in dem in 7A gezeigten Rohling 10 können z. B. mit den Felgenbereichen zwischen den Speichen des Rades 30 (siehe 5A) zusammenfallen, um in diesen Bereichen einen höheren Gehalt an Magnesium gegenüber Aluminium für zusätzliche Festigkeit und reduziertes Gewicht vorzusehen.
Das Schmiedeteil, der Rohling und das Bildungsverfahren, die hierin beschrieben sind, sind anhand eines Beispiels eines Fahrzeugrades als die geschmiedete Komponente veranschaulicht. Das Beispiel eines Fahrzeugrades, das in den 1–7B gezeigt ist, soll nicht einschränkend sein. Das Schmiedeteil, der Rohling und das Bildungsverfahren, die hierin beschrieben sind, können ausgebildet sein, um andere Komponenten vorzusehen, bei denen eine Bimetallstruktur vorteilhaft ist, z. B. um ein hohes Festigkeit/Gewicht-Verhältnis oder eine sich von der Kernstruktur unterscheidende Oberflächenstruktur zum/r Korrosionsschutz, Beständigkeit gegenüber einem Temperaturschock, oder andere funktionelle, Erscheinungsbild- oder Leistungseigenschaften und -merkmale vorzusehen. Fahrzeugbezogene Beispiele umfassen Achsschenkel, Verbindungsstreben und Motorträger, wenngleich einzusehen wäre, dass der/das hierin beschriebene Rohling und Verfahren zum Bilden und Schmieden für Nicht-Fahrzeugkomponenten und -anwendungen zweckdienlich wären. Es können andere Materialienkombinationen als Material auf Aluminiumbasis und Magnesiumbasis bei Verwendung der hierin beschriebenen Verfahren möglich sein.
Ein Schmiedeteilrohling und/oder eine geschmiedete Komponente, der/die mithilfe eines Verfahrens, wie hierin beschrieben, erzeugt wird/werden, kann/können durch zusätzliche Bearbeitung und/oder eine sekundäre Behandlung verändert werden, um gewisse Eigenschaften und/oder Merkmale zu verbessern, zu optimieren und/oder zu entwickeln. Nicht einschränkende Beispiele für eine zusätzliche Bearbeitung und/oder sekundäre Behandlungen, die angewendet oder verwendet werden können, um maßlichen, Erscheinungsbild-, Funktions- und/oder Leistungsanforderungen und -spezifikationen zu entsprechen, umfassen maschinelles Bearbeiten, Glätten, Polieren, Pressen, Schmieden, Wärmebehandeln, Anodisieren, lokale Oberflächenbehandlungen wie Hämmern, Laserbehandlung, Reibrührschweißen, Reibungsmischen etc. oder eine Kombination davon.

Claims

Verfahren zum Bilden eines Bimetall-Schmiedeteiles (30), wobei das Verfahren umfasst, dass: ein erstes Element (12) vorgesehen wird, das aus einem ersten Metall hergestellt ist, wobei das erste Metall Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist; ein zweites Element (16) vorgesehen wird, das aus dem ersten Metall hergestellt ist; ein Einsatz (14) vorgesehen wird, der aus einem zweiten Metall hergestellt ist, wobei das zweite Metall Magnesium oder eine Magnesiumlegierung ist; ein Rohling (10) gebildet wird, der aus dem ersten Element (12), dem zweiten Element (16) und dem Einsatz (14) besteht; wobei der Rohling (10) derart ausgebildet wird, dass der Einsatz (14) von einer Schale (20) umschlossen ist, die durch das erste Element (12) und das zweite Element (16) definiert ist; und der Rohling (10) geschmiedet wird, um das Schmiedeteil (30) zu bilden; dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (12) und das zweite Element (16) durch eine schmiedbare Naht (18) mittels Reibrührschweißen verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schmieden des Rohlings (10), um das Schmiedeteil (30) zu bilden, ferner umfasst, dass ein Schmiedeteil (30) gebildet wird, welches umfasst: einen äußeren Abschnitt (32), der durch die Schale (20) definiert ist; einen inneren Abschnitt (34), der durch den Einsatz (14) definiert ist; und eine Grenzflächenschicht (36), die zwischen dem inneren Abschnitt (32) und dem äußeren Abschnitt (34) gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Einsatz (14) eine äußere Fläche (15) definiert; wobei das erste Element (12) und das zweite Element (16) jeweils eine innere Fläche (13, 17) definieren; wobei die äußere Fläche (15) des Einsatzes (14) und/oder die inneren Flächen (13, 17) des ersten und des zweiten Elements (12, 16) eine Beschichtung umfasst/en, die aus einem dritten Metall besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schmiedeteil (30) zur Verwendung als ein Rad für ein Fahrzeug geeignet ist.
Rohling (10), der zum Formen durch Schmieden ausgestaltbar ist, wobei der Rohling (10) umfasst: ein erstes Element (12, 22), das aus einem ersten Metall hergestellt ist, wobei das erste Metall aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht; ein zweites Element (16, 24), das aus dem ersten Metall hergestellt ist; einen Einsatz (14), der aus einem zweiten Metall hergestellt ist, wobei das zweite Metall aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung besteht; wobei das erste Element (12, 22) und das zweite Element (16, 24) in engem Kontakt miteinander und dem Einsatz (14) ausgebildet sind, sodass das erste Element (12, 22) und das zweite Element (16, 24) eine Schale (20) definieren, welche den Einsatz (14) umschließt; dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (12, 22) und das zweite Element (16, 24) durch eine schmiedbare Naht (18, 28) mittels Reibrührschweißen verbunden sind.
Rohling nach Anspruch 5, ferner umfassend ein drittes Element (26), wobei das dritte Element (26) in engem Kontakt mit dem Einsatz (14) und dem ersten Element (12, 22) und/oder dem zweiten Element (16, 24) steht, sodass das erste Element (12, 22), das zweite Element (16, 24) und das dritte Element (26) die Schale (20) definieren, die den Einsatz (14) umschließt.
Rohling nach Anspruch 5, wobei der Einsatz (14) eine äußere Fläche (15) definiert; wobei das erste Element (12, 22) und das zweite Element (16, 24) jeweils eine innere Fläche (13, 17) definieren; wobei die äußere Fläche (15) des Einsatzes (15) und/oder die inneren Flächen (13, 17) des ersten und des zweiten Elements (12, 22; 16, 24) eine Beschichtung umfasst/en, die aus einem dritten Metall besteht.
Rohling nach Anspruch 5, wobei die Schale (20) als mit dem Einsatz nicht konzentrisch oder mit ungleichmäßiger Dicke ausgebildet ist.