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Die Erfindung betrifft ein Strangpress-Verfahren,
bei dem ein Profil aus einem Magnesiumwerkstoff in einen Zufuhrkanal
(Kontainer) eingeführt und
mittels eines Stempels unter plastischer Verformung durch eine Matrize
gepresst wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung
zur Durchführung des
Verfahrens.
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Magnesium lässt sich, vergleichbar mit
Aluminium, mit geringem Aufwand strangpressen, wobei Parameter eingestellt
werden, die denjenigen des Aluminiums oftmals entsprechen. In den
Zufuhrkanal der Strangpress-Vorrichtung wird ein zylinderförmiges Profil
eingesetzt, das Magnesiumhalbzeug, dessen Abmessungen auf den Zufuhrkanal
abgestimmt sind, und mittels eines Stempels durch die Matrize des
Werkzeuges gepresst. Im Gegensatz zu der hexagonalen Gitterstruktur
des Magnesiums besitzt Aluminium jedoch eine kubisch flächenzentrierte
Gitterstruktur, wodurch sich ein vollkommen abweichendes, eigenschaftsabhängiges Verhalten
nach dem Strangpressen und insbesondere eine geringe Kaltvertormbarkeit
des Magnesiums ergibt.
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Insgesamt hat das Magnesium lediglich
drei Gleitsysteme, so dass durch einen Wärmeeintrag zusätzliche
Gleitebenen zur Verfügung
gestellt werden müssen.
Unterhalb einer Temperatur von ca. 225°C erfolgt das Gleiten bei Reinmagnesium
ausschließlich
in der Basisebene des hexagonalen Kristallgitters. Die Gleitrichtung
in der Basisebene ist dabei definiert durch die Richtung der am
dichtesten gepackten Atomreihe. Neben dem Gleiten in der Basisebene liegt
ein weiterer Verformungsmechanismus durch Zwillingsbildung bei Druckbeanspruchung
senkrecht der Basisebenen bei Raumtemperatur vor. Als Zwillingsbildung
wird eine Scher verformung bezeichnet, bei der ein Kristallbereich
in eine zur Ausgangslage spiegelsymmetrische Lage überführt wird.
Die Spiegelebene wird dabei als Zwillingsebene bezeichnet.
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Bei einer Temperatur oberhalb von
225°C werden
weitere pyramidale Gleitebenen aktiviert. Die Öffnung dieser Gleitebenen bewirkt
den sprunghaften Anstieg der plastischen Verformbarkeit oberhalb dieser
Temperatur.
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Ein weiterer Verformungsmechanismus
im Magnesium-Kristall ist das Gleiten von Versetzungen auf prismatischen
Ebenen. Bei geringen Dehnungsgeschwindigkeiten und einer Temperatur
von ca. 260°C
wird ein alternierendes pyramidales und prismatisches Gleiten im
Magnesium-Kristall vermutet.
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Nachteilig ist in der Praxis, dass
die so hergestellten Strangpressteile eine ausgeprägte Textur aufweisen.
Strangpressteile aus Magnesium weisen daher eine starke Zug-Druck-Anisotropie auf,
sowie eine Anisotropie bezogen auf die Lage der Beanspruchungsrichtung
zur Strangpressrichtung. Diese Abweichungen wirken sich behindernd
auf die Verwendung von Magnesiumprofilen für Strukturkomponenten aus,
da bei der Konstruktion als Berechnungsgrundlage der jeweils niedrigere
Wert heranzuziehen ist. Hierdurch ergibt sich in der Praxis, dass
der hohe gewichtsspezifische Vorteil bei der Verwendung von Magnesium
verloren geht. Wünschenswert
wäre daher
eine Zug-Druck-Isotropie sowie eine Isotropie unabhängig von
der Lage der Beanspruchungsrichtung zur Strangpressrichtung.
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Es sind auch bereits Versuche unternommen worden,
dem Magnesium Legierungsbestandteile, beispielsweise Yttrium, zuzusetzen,
um dadurch ein annähernd
isotropes Verhalten zu erreichen. Durch die Verwendung solcher Legierungsbestandteile
wird jedoch zugleich die Strangpressbarkeit aufgrund stark steigender
Strangpresskräfte
erheblich eingeschränkt,
was zum Versagen der Presse führen
kann. So ist beispielsweise die warmfeste WE43-Legierung, die im stranggepressten Zustand
keine Anisotropie zeigt, nur sehr eingeschränkt verpressbar.
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Das Strangpressen von Magnesiumwerkstoffen
ist beispielsweise auch durch die
DE 44 19 591 A1 bekannt. Darin wird eine
Diffusionsbehandlung zwischen der Strangpressbehandlung und der Schmiedebehandlung
beschrieben, die dadurch die innere Festigkeit in radialer Richtung
erhöht,
um so eine Rissbildung bei der plastischen Verformung zu vermeiden.
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Im Forschungsbereich sind auch bereits
Versuche unternommen worden, durch mehrfaches Strangpressen desselben
Profils mit einem abgewinkelten Zufuhrkanal eine Isotropie zu erzeugen (ECAE-Verfahren).
Als nachteilig hat sich dabei jedoch erweisen, dass nicht etwa wie
gewünscht
die Druckbelastbarkeit angehoben werden konnte, sondern im Gegenteil
die Zugbelastung auf das Niveau der Druckbelastung abgesenkt wurde.
Außerdem
erweist sich die praktische Umsetzung als sehr umständlich,
weil ein abgewinkelter Zufuhrkanal in der Praxis bei den vorhandenen
Pressen nicht realisierbar ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, eine Möglichkeit
zur Herstellung weitgehend isotroper Pressteile zu schaffen. Insbesondere
soll zumindest näherungsweise
eine Zug-Druck-Isotropie auf einem dem Stand der Technik entsprechenden, höheren Niveau
realisiert werden. Weiterhin soll eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens geschaffen werden.
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Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem
Strangpress-Verfahren gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die weitere Ausgestaltung des Strangpress-Verfahrens ist den Unteransprüchen 2 bis
5 zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist also bei dem Strangpress-Verfahren
eine plastische Verformung des Profils unmittelbar vor der Matrize
quer zu der Bewegungsrichtung, die durch die Vorschubbewegung des Stempels
erreicht wird, vorgesehen. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung
aus, dass aufgrund der Verformungskomponente quer zur Vorschubbewegung
des Stempels eine Entgegenstellung der Textur unmittelbar vor dem
Verpressen des Profils erfolgt. Das Profil wird hierzu mittels des
Stempels zunächst
verschoben, bis dieses gegen die Matrize anliegt. Durch die fortgesetzte
Vorschubbewegung wird das Profil gestaucht, also unter Ausdehnung
in Querrichtung verformt, so dass keine in Strangpressrichtung ausgerichtete
Mittelachse, sondern eine in unterschiedlichen Richtungen aufgefaltete
Orientierung der Mittelachse vorliegt. Dadurch wird die Druckbeanspruchung
auf das Niveau der Zugbeanspruchung angehoben. Zugleich kann das
Verfahren mit den üblichen
Pressvorrichtungen durchgeführt
werden, indem lediglich die Abmessungen des Profils gegenüber dem
Zufuhrkanal vermindert sind. Die aufgrund der zusätzlichen
Verformung eintretende Kornfeinung führt zudem zu einer höheren Duktilität und damit
für die üblichen
Anwendungszwecke zu verbesserten Eigenschaften.
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Dabei erweist es sich als besonders
erfolgversprechend, wenn das Profil derart plastisch verformt wird,
dass dadurch die Orientierung der Mittelachse des unverformten und
des ver formten Profils voneinander abweichen. Hierbei wird bei der
Verformung nicht lediglich das Verhältnis zwischen Länge und
Querschnittsfläche
des Profils verändert,
sondern insbesondere die Lage der fiktiven Mittelfaser in eine Vielzahl
unregelmäßiger Orientierungen
bis hin zu einer Knäuelbildung
gebracht. Die isotropen Eigenschaften können dadurch zuverlässig auf
dem im Verhältnis
zum Stand der Technik höheren
Niveau stabilisiert werden.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird auch dadurch erreicht, dass zusätzlich zu der Verformung des
Profils quer zu der Bewegungsrichtung eine Verformung in weiteren
Wirkrichtungen erreicht wird, um so eine effektive Vorverformung
unmittelbar vor der durch die Matrize bestimmten Formgebung realisieren
zu können,
wobei zusätzliche
bewegliche Elemente im Bereich des Zufuhrkanals verzichtbar sind. Daher
können
zur Durchführung
des Verfahrens auch vorhandene Strangpress-Vorrichtungen eingesetzt
werden.
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Besonders gute Ergebnisse lassen
sich auch dann erreichen, wenn das Profil in dem Zufuhrkanal verkippt
wird, weil dadurch eine Auffaltung in wechselnder Richtung erreicht
wird, die eine weitere Optimierung der Vorverformung ermöglicht.
Das Profil knickt dabei seitlich ein und wird dabei entsprechend aufgefaltet.
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Weiterhin erweist sich eine Abwandlung
als besonders praxisnah, bei der das Profil derart plastisch verformt
wird, dass das Profil gegen eine Innenwandfläche des Zufuhrkanals flächig anliegt.
Hierdurch wird eine wirkungsvolle Vorverformung realisiert und zugleich
die Formgebungsqualität
des Pressteiles ohne Einschränkungen
gegenüber
den konventionellen Verfahren sichergestellt.
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Die zweitgenannte Aufgabe, eine Vorrichtung
zum Strangpressen, bei der ein insbesondere zylinderförmiges Profil
aus einem Magnesiumwerkstoff in einen Zufuhrkanal mittels eines
Stempels unter plastischer Verformung durch eine Matrize pressbar
ist, zur Durchführung
des Verfahrens zu schaffen, wird erfindungsgemäß gelöst, indem die jeweiligen Querschnitte
des Profils und des Zufuhrkanals zumindest in einem matrizenseitigen
Abschnitt des Zufuhrkanals ein deutliches Differenzmaß aufweisen. Hierdurch
führt die
Vorschubbewegung bei dem gegen die Matrize anliegenden Profil zunächst zu
einer Querverformung des gegenüber
dem Zufuhrkanal kleineren Profils, welches dadurch derart gestaucht wird,
dass dieses allseitig gegen die Innenwandfläche des Zufuhrkanals anliegt
und erst nach Abschluss dieser Umformung durch die Matrize hindurchgepresst
wird. Diese Umformung führt
zu einer Isotropie, die nicht dem niedrigeren der beim Stand der
Technik ungleichen Beanspru chungsgrenzwert, sondern zumindest näherungsweise
dem des höheren
Beanspruchungsgrenzwertes entspricht. Dabei können bereits vorhandene Strangpress
Vorrichtungen ohne konstruktive Änderungen
eingesetzt werden, indem lediglich ein geändertes Format des Profils
oder ein geänderter
Zufuhrkanal eingesetzt wird. Zugleich werden dabei eine Kornfeinung
und damit weiter verbesserte Eigenschaften erlangt.
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Der Zufuhrkanal könnte beispielsweise lediglich
an seinem matrizenseitigen Abschnitt eine Querschnittserweiterung
aufweisen. Besonders vorteilhaft ist hingegen eine Abwandlung der
Erfindung, bei welcher der Zufuhrkanal über seine gesamte Länge ein im
wesentlichen einheitliches Differenzmaß der jeweiligen Querschnitte
des Profils und des Zufuhrkanals aufweist. Hierdurch kann ein auf
die Querschnittsfläche
des Zufuhrkanals optimal abgestimmter Stempel eingesetzt werden,
welcher dabei insbesondere annähernd
die gesamte Querschnittsfläche mit
geringem Abstand zur Innenwandfläche
des Zufuhrkanals ausfüllt
und dadurch zu einer optimalen Umformung des Profils führt.
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In der Praxis hat es sich dabei als
besonders zweckmäßig erwiesen,
wenn das Differenzmaß maximal
50 % des Querschnitts beträgt.
Hierdurch kann eine ausreichende Verformung einerseits sowie eine lediglich
geringe Verzögerung
bei der Prozessdauer des Strangpressens andererseits realisiert
werden. Das Profil liegt dabei beispielsweise auf dem Boden des
Zufuhrkanals auf und hat gegenüber
der jeweiligen benachbarten Innenwandfläche unterschiedliche Differenzmaße. Sofern
der Stempel eine Möglichkeit zur
vorübergehenden
Fixierung des Profils besitzt, kann das Profil auch konzentrisch
mit einheitlichem Abstand zu den Innenwandflächen in den Zufuhrkanal eingeführt werden.
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Bei einer anderen Ausgestaltung,
bei welcher der Zufuhrkanal lediglich in dem matrizenseitigen Abschnitt
eine Erweiterung des Querschnittes aufweist, kann das Profil in
gewohnter Weise in den Zufuhrkanal eingelegt und mittels des Stempels
in Vorschubrichtung bis an die Matrize gepresst werden. Durch die
fortgesetzte Vorschubbewegung führt die
Querverformung zu einem Ausfüllen
der Erweiterung. Hierdurch kann in einfacher Weise eine Positionierung
des Profils fluchtend mit der Mittelachse des Zufuhrkanals erreicht
werden.
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Weiterhin erweist es sich als besonders
vorteilhaft, wenn der Stempel eine Ausformung aufweist, durch die
ein seitliches Verkippen des Profils begünstigt ist. Hierdurch wird
in einfacher Weise ein beispielsweise auch wechselseitiges Verkippen
des Profils erreicht, wodurch eine unregelmäßige Wirkrichtung der Verformungskräfte auftritt.
Die isotropen Eigenschaften des Strangpressteiles können so weiter
optimiert werden.
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Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen
zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon
in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese
zeigt jeweils in einer geschnittenen Seitenansicht in
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1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung vor
Eintritt einer plastischen Verformung;
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2 die
in 1 gezeigte Vorrichtung
mit verformtem Profil;
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3 die
in 1 gezeigte Vorrichtung
während
des Strangpressvorganges;
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1 zeigt
eine Vorrichtung 1 zum Strangpressen von Magnesiumwerkstoffen.
Hierzu hat die Vorrichtung 1 einen Zufuhrkanal 2,
in welchem ein Profil 3 mittels eines Stempels 4 gegen
eine Matrize 5 anpressbar ist. Der Zufuhrkanal 2 und
das Profil 3 haben jeweils einen derart aufeinander abgestimmten
Querschnitt 6, 7, dass zwischen dem Profil 3 und einer
Innenwandfläche 8 des
Zufuhrkanals 2 ein Differenzmaß Δ verbleibt.
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Dieses Differenzmaß Δ führt bei
einer fortgesetzten Vorschubbewegung des Stempels 4, wie
in der 2 dargestellt,
zunächst
zu einer Verformung des Profils 3 quer zur Strangpressrichtung 9.
Das so erreichte Stauchen des Profils 3 ist abgeschlossen, wenn
das Profil gegen die Innenwandfläche 8 eines matrizenseitigen
Abschnittes 10 des Zufuhrkanals 2 flächig anliegt.
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Eine weitere Druckerhöhung durch
den Stempel 4 führt
dann zu einem Abpressen des Profils 3 durch die Matrize 5 der
Vorrichtung 1, so dass ein gewünschtes Strangpressteil 11 entsteht.
Durch die in dem Zufuhrkanal 2 unmittelbar vor dem Abpressen des
Profils 3 erreichte Verformung werden in einfacher Weise
isotrope Eigenschaften des Strangpressteiles 11 realisiert.
Dabei kann eine bereits vorhandene Vorrichtung 1 unverändert genutzt
werden, indem beispielsweise lediglich ein Profil 3 mit
kleinerem Querschnitt 7 eingesetzt wird.