Freiburg im Breisgau ZL/K/Es
Deutsche ITT Industries GmbH 19.7.1979
ZL/K/Es 927 866
M.P. Kenney - 1
Verfahren zur Formung einer Metall-Legierung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Formen einer Metall-Legierung, in welchem eine halbfeste Metall-Legierungsmenge
in einer geschlossenen Gesenkform verformt wird, wobei die Metall-Legierung abgesonderte,
zurückentwickelte, dentritische, primär feste Partikel in einer Konzentration von 30% bis 90% des Volumens enthält,
welches auf dem Volumen der genannten Legierung basiert, wobei die primär festen Partikel von der Legierung
abstammen und in einem sekundären, flüssigen Teil .homogen fein verteilt werden, wobei der sekundäre flüssige
Teil von der Legierung abstammt und einen niedrigeren Schmelzpunkt hat als die primär festen Partikel.
Teile aus verformten Metall-Legierungen werden aus Knet-Legierungen
durch Schmiedetechniken hergestellt, um optimale physikalische Eigenschaften zu erhalten. Wo ein
Teil eine relativ komplexe Gestalt aufweist, muß es normalerweise durch die Verwendung von Guß-Legierungen
gebildet werden, gewöhnlich unter Beeinträchtigung der physikalischen Eigenschaften. Es wäre wünschenswert,
Legierungen zu verwenden, welche die Eigenschaften von geschmiedeten Produkten in einem Formungsprozeß erbringen,
der zur Herstellung komplexer Formen geeignet ist.
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Es sind Legierungen entwickelt worden, welche eine derartige MikroStruktur aufweisen, daß sie eher aus
einer flüssig-festen Mischung gegossen werden können als aus einer flüssigen und so von einer geringeren
Tempteratur aus erstarren als hergebrachte Guß-Legierungen. Solche Legierungen und ihre Behandlung sind
beispielsweise aus der US-PS 3 948 650 und der US-PS 3 954 455 bekannt. Wie in diesen Schriften offenbart,
können die teilweise verfestigten Metall-Legierungen in Form von flüssigem Brei in verschiedenen Metall-Formungspr
ozessen - wie Spritzgießen, Dauer-Formguß, geschlossenem Gesenkschmieden, Heißpressen und anderen
bekannten Techniken - zu Legierungsteilen geformt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Metall-Legierungsteilen zu schaffen,
die komplexe Gestalten, wie sie bei Guß-Legierungen üblich sind, und Eigenschaften, dia annähernd denjenigen
von Schmiede-Legierungen entsprechen, aufweisen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Metall-Legierungsmenge unter Druck in der Gesenkform
in einer Zeit, welche kürzer ist als eine Sekunde, verformt wird, wobei die Gesenkform auf eine Temperatur von
etwa 100 bis 450 C vorgeheizt ist und ein Verfestigen des flüssigen Teils der geformten Legierung in der Gesenkform
unter einem Druck von etwa 25 bis 5000 psig in einer Zeit, die geringer ist als eine Minute, erfolgt.
Dieses Verfahren hat weiterhin den Vorteil, daß komplexe Metall-Legierungsteile mit geringen Toleranzen durch
Schmiedepressen mit geringem Druck hergestellt werden können, wobei dieses Verfahren ebenso wirtschaftlich ist
wie die Guß-Techniken.
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Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung besteht darin, daß mit diesem Verfahren derartige Metall-Legierungsteile
in hohen Stückzahlen hergestellt werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die
Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine vertikale Querschnitts-Ansicht von Gesenkformen
in geschlossener Lage in einer Presse, die für die Verwendung in Zusammenhang mit der Erfindung
geeignet sind;
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Radfelge, die in der in
Fig. 1 gezeigten Presse hergestellt wurde; und
Fig. 3 eine Draufsicht auf das in Fig. 2 gezeigte Rad.
Die Metallmenge oder Vorform, die in dem erfindungsgemäßen
Verfahren verwendet wird, ist halb-fest: eine Mischung aus einem festen und einem flüssigen Anteil.
Die festen Partikel, die zwischen 30% und 90% des Gesamtvolumens ausmachen, sind rund und haben normalerweise
einen Durchmesser zwischen 20 und 200 Mikrometer. Dies ist das Resultat einer vorhergehenden Behandlung
des Metalls, bei der das Metall geschmolzen und anschließend - während des Erstarrens - kräftig umgerührt
wurde. Dies führt zu einer Kornbildung mit im wesentlichen runden Partikeln. Die daraus entstehende Metallverbindung
ist gekennzeichnet durch abgesonderte, zurückentwickelte, dentritische, primär feste Partikel, welche
in einem sekundären Teil mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als die Primär-Partikel homogen fein verteilt werden.
Sowohl der primäre als auch der sekundäre Teil stammen von der Metall-Legierung, die während des Er-
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starrens kräftig umgerührt wurde. Das Verfahren und die
daraus resultierende Legierung sind detaillierter in den obengenannten US-Patenten 3 9 48 650 und 3 954
offenbart, auf welche Bezug genommen werden soll zur vollständigeren Beschreibung.
Die im wesentlichen runde Gestalt der abgesonderten,
zurückentwickelten, dentritischen Partikel erlaubt den festen Partikeln, auf viskose Weise als gleichmäßige
flüssige Masse zu fließen. Dadurch genügt ein relativ geringer Druck zum Formen des Teils. Die in dem Verfahren
benutzten Drücke reichen von etwa 25 psig bis zu 5000 psig, so daß Teile, die so groß sind wie eine
Autofelge von der Größe 14", in einer 250-Tonnen-Presse geformt werden können im Vergleich zu einer 1200-Tonnen-Spritzgußmaschxne
oder einer 8000-Tonnen-Presse, wie sie beim konventionellen Schmieden verwendet wird.
Die weitgehend feste Natur der Masse, welche von 30% bis
90% reicht, vorzugsweise aber über 70% des festen Volumens liegt, ermöglicht ein sehr schnelles Verfestigen
mit einem Minimum an Flüssig/Fest-Schrumpfung. Dadurch
können Teile ohne große Gießtrichter oder Steiger geformt werden und es ist ein sehr kurzes Verbleiben in
der Gußform möglich. Dieser letzte Punkt ist von großer Bedeutung für die hohen Produktionszahlen, die mit diesem
Verfahren erreicht werden können, d.h. eine realistische Rate von 240 Radfelgen pro Stunde oder 500 kleine
Teile pro Stunde können leicht erzielt werden.
Die schnelle Verfestigung bedeutet, daß nahezu alle Bereiche des Teils, welche eine gleiche Dicke aufweisen,
zur gleichen Zeit festgeworden sein werden und demzufolge sehr schnell ausgestoßen werden können, und zwar üblicher-
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weise in weniger als 4 Sekunden nach dem Formen bei gut leitfähigen Legierungen wie z.B. Aluminium und
Kupfer. Bei eisenhaltigen Legierungen oder bei Teilen mit relativ großem Querschnitt wird sich die Verfestigungszeit
über 15 bis 20 Sekunden erstrecken, in jedem Fall jedoch wird sie kürzer als eine Minute sein und normalerweise
wesentlich darunter liegen. Der schnelle Ausstoß des Teils befreit dieses von vielen der Zwänge
einer Schrumpfung in festem Zustand, welche normalerweise bei sinkender Temperatur eintritt. Eine solche
Schrumpfung kann sich bis zu einem Punkt entwickeln, an dem die Bindung an die Formen große Spannungen hervorruft
und zu Wärmerissen oder Brüchen in dem geformten Teil führt.
Produkte, die erfindungsgemäß hergestellt wurden, besitzen viele Eigenschaften eines geschmiedeten Teils,
können aber komplexe Gestalten und Toleranzen aufweisen, ■ die für Gußteile typisch sind. Die Produkte können unter
Verwendung namentlich geschmiedeter Legierungen ein Maß an Dehnfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit, Formbarkeit und
an Korrosionsbeständigkeit aufweisen, welches mit dem geschmiedeter oder gegossener Produkte vergleichbar ist,
die aus diesen Legierungen hergestellt sind. Darüberhinaus ist dieses Verfahren zur Herstellung von relativ
großen Teilen geeignet. Es sind beispielsweise Autoradfelgen vorbereitet worden, die viele Eigenschaften geschmiedeter
Radfelgen aufweisen, bei denen wesentlich vereinfachte Press-Vorrichtungen in einer wesentlich
wirksameren Weise als bei bekannten geschmiedeten Radfeigen benutzt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Vorformstück
erhitzt, bis 10 - 70% seines Volumens flüssig geworden sind. Wie oben angezeigt, ist das Vorformstück
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oder die Masse durch heftiges Rühren einer flüssigfesten Mischung der gewählten Legierung hergestellt
worden, welche dann schnell abgekühlt wurde. Die Temperatur, auf welche das Vorformstück erhitzt wird, liegt
zwischen der Verflüssigungs- und Festwerdungstemperatur
für die spezielle Legierung und variiert von Erhitzung zu Erhitzung innerhalb eines gegebenen Legierungssystems,
abhängig von den speziellen Chemikalien. Da es keine spezielle Temperatur gibt, bei welcher das Metall besonders
gut formbar ist, kann die Viskosität, die durch Messung des Widerstands gegen Durchdringen mit einer
Sonde im halb-festen Material ermittelt wird, als Indikator des Prozentanteils der vorhandenen Flüssigkeit
in der Mischung benutzt werden. Üblicherweise wird ein Bereich von 5 psig bis 15 psig benutzt werden, wobei
der genaue Druck ausgesucht wird, der den Bedingungen des zu formenden Teils entspricht. Es ist möglich, das
Abkühlen und Wiedererhitzen des Vorformstücks zu vermeiden, indem man die Beschickungsladung, die stark umgerührte
Masse direkt, d.h. vor ihrer Abkühlung, zum Bilden eines Barrens oder eines Vorformstücks benutzt.
Niedrigere Drücke können zum Formen des vorgeheizten Barrens benutzt werden unter der Voraussetzung, daß
keine zusätzliche Verfestigung während des Formungs-Vorgangs eintritt. Um die Verwendung niederen Druckes
sicherzustellen, ist eine Formzeit in der Gesenkform von weniger als einer Sekunde erforderlich. Die Gesenkform
ist auf eine Temperatur von 100 bis 450 C vorgeheizt, und zwar in erster Linie abhängig von der
Konfiguration des Teils, um eine wesentliche Verfestigung
während des Formungs- oder GestaltungsVorgangs zu
verhindern. Wenn die Temperaturen zu hoch sind, besteht die Tendenz zur Adhäsion zwischen dem Vorformstück und
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dem Gesenk - bekannt als Gesenklöten. Während des Formungshubes
steigt der Druck von Null bis zu dem für die Verfestigung notwendigen Druck an. Am Ende des
Formungshubes ist der Druck entsprechend von etwa 25 auf 5000 psig gestiegen, üblicherweise von 500 auf
2500 psig, und die Verfestigung des Flüssig-Teils beginnt.
Auf diese Weise steigt der Druck nach und nach während des Formhubes und verbleibt bei einem Höchststand
zwischen 25 bis 5000 psig während der Verfestigung.
Der angewandte Druck erhöht die Hitzeübertragung von der Metall-Legierjng auf die Gesenkform und unterstützt die
Verfestigungs-Schrumpfung. Wenn der Druck zu niedrig ist, kann ein nicht akzeptables Maß an Porosität auftreten
oder die Gesamt~.form kann unvollständig gefüllt werden. Drücke über 5000 psig können verwendet werden,
sind jedoch nicht erforderlich. Darüber hinaus können höhere Drücke ein Belüftungsproblem schaffen. Es ist
wünschenswert, das Teil bei einem Druck zu formen, der so niedrig wie möglich ist, und zwar aus Gründen der
Verfahrensökonomie, der Vereinfachung der Preßvorrichtung und zugunsten der Lebensdauer des Gesenks. Die Verbleibzeit
in der Gesenkform sollte - nach dem Formungsvorgang - kurz genug - geringer als eine Minute und vorzugsweise
geringer als 4 Sekunden - sein, um ein hitzebedingtes Brechen des geformten Teils aufgrund von
Wärmespannungen zu verhindern, andererseits aber lang
genug, um die Verfestigung des Flüssig-Teils der Legierung vollständig abzuschließen. Spezifische Zeiten werden
von der Dicke der Teile abhängen. Die Tendenz zu Wärmebrüchen ist eine Funktion der Legierungszusammensetzung,
der Bruchwiderstandszahl (fraction solids percent), Gesenktemperatur und Teil-Ausgestaltung. Innerhalb des
dargelegten Bereichs der Formungs- und Verfestigungszeiten sollten die Zeiten natürlich so kurz wie möglich
gehalten werden, damit die Produktivität so hoch wie
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möglich ist. Aus dem Vorangegangenen wird deutlich, daß Zeiten, Drücke, Temperaturen und Legierungsfestanteile
eine Kombination entscheidender Variabler sind, welche bei der dargelegten Erzielung der wesentliehen
Verfahrensökonomie und Produktverbesserung zus ammenwirken.
Der erfindungsgemäße Ausgestaltungsprozeß kann beispielsweise in einer 150 - 250-Tonnen-Hydraulikpresse
ausgeführt werden, welche mit Gesenkformen oder Preßformen ausgestattet sind, wie sie in Fig. 1 der Zeichnung
dargestellt sind. Die spezielle, dort gezeigte Gesenkanlage ist für die Herstellung relativ großer,
komplexer Ausgestaltungen ausgelegt, in diesem Falle für eine stark ausgeformte Autorad-Felge. Die Gesenkanlage
umfaßt ein bewegliches Obergesenk oder Prägestempel 1, zwei Gesenkformseiten 2 und 3 und ein Untergesenk
4. Die Gesenkformen sind in geschlossener Lage gezeigt, wobei die Metall-Legierung 5 in den Konturen
einer Autoradfelge geformt worden ist.
Weitere Merkmale der Erfindung beziehen die Art und Weise mit ein, in welcher die Gesenkformen belüftet
sind. Die Länge und der Durchmesser der Belüftungskanäle müssen von angemessener Größe sein, um eine ausreichende
Belüftung vorzusehen. Auf der anderen Seite müssen die Kanäle normalerweise genügend eng und lang sein, um ein
Versprühen des geschmolzenen Metalls außerhalb der Gesenkformen zu verhindern. Belüftungskanäle üblicher Größe
mit einem Durchmesser, wie er beispielsweise bei Gesenkschmieden verwendet wird, haben sich als zu eng erwiesen,
um Lufttaschen während des Preß-Form-Vorgangs zu verhindern. Es hat sich jedoch gezeigt, daß der hohe Anteil
fester Bestandteile, der während des Preßgangs der vor-
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/ß.
liegenden Erfindung vorhanden ist, die Verwendung kürzerer Belüftungskanäle mit größerem Durchmesser
erlaubt. Das führt nicht nur zum Wegfall von Lufttaschen an dem geformten Produkt, sondern auch zu geringeren
Toleranzen bei der Gesenkgestaltung, und zwar letzteres aufgrund der geringeren Fläche, die für die Erzielung
angemessener Belüftung benötigt wird. Vier solcher Belüftungskanäle 6,7,8 und 9 sind im Querschnitt in
Fig. 1 gezeigt. Wie in Fig. 1 ersichtlich, beinhaltet der FormungsVorgang gleichzeitig ein Stranpressen des
halbfesten Metalls nach vorn in die engen Kanäle,' die in die Belüftungskanäle 6 und 7 münden, ein. Strangpressen
des halbfesten Materials nach hinten in die Kanäle, die zu den Belüftungskanälen 8 und 9 führen,
und einanGchmiedehub gegen den mittigen Abschnitt des
Metalls in der Presse mit ein. Hierbei wird auf "komplexe" Ausgestaltungen von Teilen hingewiesen, welche
solche gleichzeitigen vorderen und hinteren Stränge in Kombination mit einem Schmiedevorgang in einem hier
dargelegten Verfahren erfordern.
Das nachfolgende Ausführungsbeispiel illustriert die Anwendung der Erfindung. Wenn nicht anders angegeben,
sind alle Teile nach Gewicht angegeben.
Beispiel
Ein 18 Pfund schwerer Barren aus einer 6061 Aluminium-Schmiede-Legierung
wurde, wie im wesentlichen in dem US-Patent 3 948 650 dargelegt, aus einer halbfesten
Masse geschmiedet, welche etwa zu 50% ihres Volumens aus zurückentwickelten Dendriten besteht. Der Barren, der
etwa 6 Inches im Durchmesser beträgt, enthält folgende
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Zusammensetzung:
Si Cr Mn Fe Mg Ti Cu B Al 0.63 0.06 0.06 0.22 0.90 0.012 0.24 0.002 Rest
Der Barren, der sich in einem rostfreien Stahlbehälter befindet, wurde in einen Widerstandsofen gegeben und auf
eine Temperatur von 677°C gebracht. Diese Temperatur,
die ungefähr 28°C über der Verflüssigungstemperatur der Legierung liegt, genügte, um ein teilweises Schmelzen
der Legierung herbeizuführen, ohne wesentliche Veränderungen in dem Anteil an Flüssigkeit innerhalb des Barrens
hervorzurufen. Bei einer Temperatur von 632 C, entsprechend einem festen Anteil von ungefähr 0.80, der durch
eine Sonde ermittelt wurde, wurde der Barren in seinem Behälter zu der geschlossenen Bodenhälfte einer Gußeisengesenk-Anlage
gebracht, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, die auf einer Temperatur von 315°C gehalten wurde,
und der Barren wurde aus dem Kanister auf den Boden der Gesenkform herausgeschoben. Die Gesenkanlage war von
einer Schmierflüssigkeit auf Grafitbasis beschichtet.
Das Obergesenk, das ebenfalls bei einer Oberflächentemperatur von ungefähr 315 C gehalten wurde, ist dann
mit einer Geschwindigkeit von 20 Inches pro Sekunde geschlossen worden, was in einer Vorformzeit von ungefähr
0.2 Sekunden erfolgte, wobei die Gesenkform einen Höchstdruck von 2100 psig erreichte, so daß die gebildete Form
mit Legierung gefüllt wurde. Nach einer Haltezeit unter Druck von 2.4 Sekunden, während der der Flüssig-Teil des
Teils sich verfestigte, wurde die Gesenkform geöffnet und das geformte Teil entfernt.
Der geformte Teil, ein Alumiηium-Rad, wurde zerlegt und
Proben für mechanische Eigenschaftsbestimmung wurden ent-
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nommen. Die Eigensc haften bei Raumtemperatur wurden gemessen. Die höchste Zugfestigkeit betrug 47.OOO psi,
die Formänderungsfestigkeit lag bei 43.000 psi und die Läncfstreckung bei einem Zoll Strecklänge betrug 7%.
Die Mindestvorschriften für geschlossene Gesenk-Schmiedestücke aus 6061 Aluminium-Legierungen wie dargelegt in
"Aluminium Standards and Data 1976", 5. Ausgabe, 1976,
sind 38.000 psi Zugfestigkeit, eine Formänderungsfestigkeit von 35.000 psi und 7% Strecklänge. Repräsentative
Mindestvorschriften eines Automobilherstellers für gegossene Aluminium-Räder lauten 31.000 Höchstzugfestigkeit,
Formänderungsfestigkeit von 16.500 und 7% Strecklänge .
Im Gegensatz zu geschmiedeten Produkten, deren Aufbau gerichtet ist, sind die erfindungsgemäßen Produkte
isotropisch - ihr Aufbau ist in allen Richtungen gleich.
Die metallurgische Struktur der Radfelge des Beispiels . besteht aus einer gleichachsigen Faserstruktur ohne
ein Gefüge entsprechend dem von geschmiedeten Teilen mit gerichteter Orientierung.
Eine Draufsicht einer mit 10 bezeichneten, fertiggestellten Radfelge, welche in dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt wurde, ist in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Die Draufsicht gemäß Fig. 3 zeigt die Radfelge
von der Richtung des Untergesenks gemäß Fig. 1 aus.
Die Radfelge enthält eine Vielzahl von im wesentlichen rechtwinkligen Konturen 11 um den äußeren Rand der Felge,
wobei jede Kontur eine gebohrte oder maschinell hergestellte Ausnehmung 12 durch sie hindurch aufweist. Ein Nabenbereich
13 enthält vier kerngebohrte und mit Schraubengewinde versehene Bohrungen 14 und vier größere, gebohrte
oder maschinell gefertigte Bohrungen 15. Eine Radfelgenausgestaltung von dieser Komplexität wird normalerweise
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durch Form- oder Gießtechniken geschaffen und ist in entsprechender Weise in ihren Eigenschaften auf die
niederwertigen Eigenschaften von Guß-Legierungen beschränkt. Die Materialeigenschaften stellen deshalb
einen Begrenzungsfaktor für das Radfelgengewicht dar.
Schlechtere Eigenschaften müssen bei einem gegossenen
Rad durch größere Masse ausgeglichen werden. Darüber hinaus sind beim Gießen normalerweise größere Querschnitte
erforderlich aufgrund der Begrenzungen, die Gußtechniken zueigen sind - es ist schwierig, eine Dauerform
mit dünnen Abschnitten zu füllen. Deshalb weisen die erfindungsgemäßen Radfelgen die außerordentlich
wichtige Eigenschaft auf, leichter als vergleichbare Radfelgen gemäß dem Stand der Technik zu sein.
in
Typische,/einem Press-Schmiede-Vorgang verwendbare Legierungen sind neben Aluminium-Legierungen und eisenhaltigen
Legierungen rostfreier Stahl, Werkzeugstahl, niedrig legierter Stahl und Eisen- und Kupfer-Legierungen
der üblicherweise für Gießen und Schmieden verwendeten Art.
Es ist ersichtlich, daß innerhalb des Bereichs der hier dargelegten Verfahrens-Kennzahlen eine Vielzahl
von Variationen vorgenommen werden kann, um den angestrebten Zielen bezüglich der Geometrie oder den
spezifischen Eigenschaften des zu bildenden Bauteils gerecht zu werden. Änderungen bei der Legierungschemie,
Temperatur, Geschwindigkeit und dem Druck der Presse und der Aufenthaltsdauer können die Faserstruktur beeinflussen,
Schrumpfungsdefekte vermeiden und Eigenschäften
für spezifische Bereiche des Bauteils vorsehen.
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Darüber hinaus kann das Verfahren neben Radfelgen zum
Herstellen mannigfaltiger geformter Metallteile verwendet v/erden, z.B. für Handwerks zeuge, Ventil- und
Pumpenkörper und -Teile, Propeller und Flügelräder, Fahrzeugteile, Geräteteile, elektrische Bauteile und
Schiffsbauteile. Diese Abwandlungen sollen mit in den Schutzbereich der Patentansprüche fallen.
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