DE9421365U1 - Alloy wheel for motor vehicles and device for the production thereof - Google Patents

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Leichtmetallrad für Kraftfahrzeuge sowie Vorrichtung zu dessen HerstellungLight alloy wheel for motor vehicles and device for its manufacture

Die Erfindung betrifft ein Leichtmetallrad für Kraftfahrzeuge sowie eine Vorrichtung zu dessen Herstellung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie des Oberbegriffs des Anspruchs 4.The invention relates to a light alloy wheel for motor vehicles and a device for its production according to the preamble of claim 1 and the preamble of claim 4.

Als Leichtmetallrad im Sinne der vorliegenden Erfindung soll nicht nur das häufig verwendete einteilige Rad, bestehend aus Radschüssel und Felgenbereich mit Felgenbett, Innen- und Außenhorn, verstanden werden, sondern auch eine Felge mit Anschraubflansch als Bestandteil eines mehrteiligen Rades, die mit einer separat gefertigten Radschüssel verschraubt wird.A light alloy wheel in the sense of the present invention is not only to be understood as the frequently used one-piece wheel, consisting of a wheel disc and rim area with rim base, inner and outer flange, but also a rim with a screw-on flange as part of a multi-part wheel, which is screwed to a separately manufactured wheel disc.

Derartige Leichtmetallräder erfreuen sich stetig steigender Beliebtheit, da sie einerseits die Ästhetik des Kraftfahrzeugs verbessern, andererseits gegenüber den noch am meisten verwendeten Stahlrädern technische Vorteile bieten. Die bisher bekannten Leichtmetallräder sind aus Aluminium enthaltenden Legierungen gefertigt, die neben dem Aluminium als Hauptbestandteil weitere Bestandteile, teilweise in FormSuch alloy wheels are enjoying ever-increasing popularity, as they improve the aesthetics of the vehicle on the one hand, and on the other hand offer technical advantages over the steel wheels that are still most commonly used. The alloy wheels known to date are made of aluminum-containing alloys, which, in addition to aluminum as the main component, contain other components, some in the form of

Postbank: Karlsruhe 769 79-754 SarTkkonfo: üeutsciie B'ank A*<3 Vilfingen (BLZ 69470039) 146332 V.A.T. No. DE142989261Postbank: Karlsruhe 769 79-754 SarTkkonfo: üeutsciie B'ank A*<3 Vilfingen (BLZ 69470039) 146332 V.A.T. No. DE142989261

relativ geringer Beimengungen, enthalten. Diese dienen dazu, die gewünschten Eigenschaften zu erzielen und den teilweise gegenläufigen Anforderungen an verschiedenen Stellen des Leichtmetallrads gerecht zu werden. Die Legierungszusammensetzung ist weiterhin bestimmt durch das zur Anwendung kommende Herstel!verfahren, da die gewünschte Formgebung unterschiedlich realisiert werden kann.relatively small amounts of impurities. These serve to achieve the desired properties and to meet the sometimes conflicting requirements at different points on the light alloy wheel. The alloy composition is also determined by the manufacturing process used, as the desired shape can be achieved in different ways.

Die verschiedenen Bereiche eines Leichtmetallrades lassen sich grundsätzlich in zwei Hauptbereiche aufteilen, die jeweils unterschiedliche Anforderungen an die Materialeigenschaften stellen. Dies ist zum einen der Zentralbereich, der als Schüssel bezeichnet wird und die Nabe und die Speichen umfaßt. Die Nabe muß hierbei als Befestigungselement hohe Vorspannkräfte aufnehmen können. Die Speichen sind hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt und müssen deshalb eine hohe Wechselbelastbarkeit aufweisen. Andererseits ist ein Felgenbereich, bestehend aus der eigentlichen Felge, dem Innenhorn und dem Außenhorn, vorhanden, der möglichst geringes Gewicht aufweisen sollte und eine hohe Energieaufnahmefähigkeit besitzen muß, um beispielsweise im Falle eines Bordsteinkontakts des Rades das plötzliche Entweichen von Luft zu verhindern.The different areas of a light alloy wheel can basically be divided into two main areas, each of which has different requirements for the material properties. On the one hand, there is the central area, which is referred to as the bowl and includes the hub and the spokes. As a fastening element, the hub must be able to absorb high preload forces. The spokes are exposed to high dynamic loads and therefore must have a high alternating load capacity. On the other hand, there is a rim area, consisting of the actual rim, the inner horn and the outer horn, which should be as light as possible and have a high energy absorption capacity in order to prevent the sudden escape of air, for example in the event of the wheel coming into contact with a curb.

Aus der DE 28 45 341 C2 ist ein derartiges Leichtmetallrad bekannt, das zunächst aus einer Aluminium enthaltenden Schmelze gegossen und der auf diese Weise hergestellte Rohling anschließend im Felgenbereich spanlos umgeformt wird. Durch die spanlose Umformung in Form einer Fließ-Drück-Operation erhält der Felgenbereich seine Endform, die kaum noch nachbearbeitet werden muß. Damit ist es möglich, relativ komplizierte Querschnittsformen zu realisieren, die bei den bisher bekannten reinen Gießverfahren wegen der Erstarrungsproblematik nicht möglich waren.DE 28 45 341 C2 discloses such a light alloy wheel, which is first cast from a melt containing aluminum and the blank produced in this way is then formed in the rim area without cutting. The non-cutting forming in the form of a flow-spinning operation gives the rim area its final shape, which hardly needs any further processing. This makes it possible to realize relatively complicated cross-sectional shapes that were not possible with the previously known pure casting processes due to the solidification problem.

Als weiterer Vorteil der nachgeschalteten spanlosen Umformung ist die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere im Hinblick auf Zugfestigkeit, Dehnung und Biegewechselfestigkeit (R = -1) zu nennen, die durch die Gefüge- und Oberflächenverdichtung erreicht wird. Die übrigen Bereiche des Rades, d.h. die Radschüssel bzw. der Anschraubflansch, hingegen werden nicht umgeformt, sie haben ihre endgültige Form bereits beim Abgießen des Rohlings erhalten. Damit besitzt das Leichtmetallrad zwei unterschiedliche Gefügestrukturen, nämlich eine erste, die der reinen Gußstruktur entspricht, und eine weitere, die durch das nachgeschaltete spanlose Umformen modifiziert ist.Another advantage of the downstream chipless forming process is the improvement in mechanical properties, particularly with regard to tensile strength, elongation and fatigue strength (R = -1), which is achieved through the structure and surface compaction. The other areas of the wheel, i.e. the wheel disc or the screw-on flange, are not formed, however; they have already received their final shape when the blank is cast. The light alloy wheel therefore has two different structures, namely a first one that corresponds to the pure cast structure and another one that is modified by the downstream chipless forming process.

Obwohl ein derartiges Leichtmetallrad kostengünstiger zu fertigen ist als solche, die aus einem geschmiedeten Vorwerkstück vollständig mechanisch umgeformt sind, sind diese jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß das Gießen des Rohlings sehr aufwendig ist. So muß zur Erzielung eines homogenen, lunkerfreien Gefüges mit ausreichend feiner Gefügestruktur das sogenannte Gegendruckgießverfahren angewendet werden, bei dem durch Einstellen eines Gegendrucks in der Kokille die Schmelze in den Formenraum eingepreßt werden muß. Der maschinelle Aufwand hierfür ist hoch, so daß der Fertigungsaufwand insgesamt für viele Anwendungen nicht ausreichend wirtschaftlich zu gestalten ist.Although such a light alloy wheel is cheaper to manufacture than those that are completely mechanically formed from a forged workpiece, these have the disadvantage that casting the blank is very complex. In order to achieve a homogeneous, void-free structure with a sufficiently fine structure, the so-called counterpressure casting process must be used, in which the melt must be pressed into the mold space by setting a counterpressure in the mold. The mechanical effort required for this is high, so that the overall manufacturing effort cannot be made sufficiently economical for many applications.

Aus der EP 0 366 049 Bl sind detailliert Maßnahmen bekannt, um den nachgeschalteten spanlosen Umformvorgang (Fließ-Drück-Verfahren) zu optimieren. Hierzu zählt insbesondere auch die Wahl einer für diese Umformung geeigneten Legierung. So wird beispielsweise eine Zusammensetzung vorgeschlagen, die neben Aluminium als Hauptbestandteil Silizium mit einem Anteil von 2 bis 9 %, Magnesium mit einem AnteilEP 0 366 049 Bl describes detailed measures to optimize the downstream chipless forming process (flow-spinning process). This includes in particular the choice of an alloy suitable for this forming process. For example, a composition is proposed which, in addition to aluminum as the main component, contains silicon with a proportion of 2 to 9% and magnesium with a proportion of

zwischen 0,20 und 0,45 %, Eisen mit einem Anteil von weniger als 0,55 %, Kupfer mit einem Anteil von weniger als 0,25 % und Mangan mit einem Anteil von weniger als 0,3 5 % enthält. Es handelt sich demnach um eine untereutektische Aluminium-Silizium-Legierung, die aufgrund ihres relativ hohen Silizium-Anteils den Charakter einer Gußlegierung besitzt, im Gegensatz zu solchen Werkstoffen, die einen Siliziumgehalt von weniger als 5 % aufweisen und als Knetlegierung zum Einsatz in reinen Schmiedeverfahren vorgesehen sind.between 0.20 and 0.45%, iron with a proportion of less than 0.55%, copper with a proportion of less than 0.25% and manganese with a proportion of less than 0.35%. It is therefore a hypoeutectic aluminum-silicon alloy, which has the character of a cast alloy due to its relatively high silicon content, in contrast to materials that have a silicon content of less than 5% and are intended as a wrought alloy for use in pure forging processes.

Der Erfindung lag daher das Problem zugrunde, ein Leichtmetallrad der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß es unter Beibehaltung oder Verbesserung der bisherigen mechanischen Eigenschaften kostengünstiger herstellbar ist.The invention was therefore based on the problem of further developing a light alloy wheel of the type mentioned above in such a way that it can be manufactured more cost-effectively while retaining or improving the previous mechanical properties.

Gelöst wird dieses Problem durch ein Leichtmetallrad, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausführungsformen sind durch die Merkmale der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche angegeben.This problem is solved by a light alloy wheel having the features of claim 1. Advantageous embodiments are specified by the features of the claims dependent on claim 1.

Das Problem wird schließlich durch eine Vorrichtung zum Herstellen eines Leichtmetallrades gemäß Anspruch 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Vorrichtung sind durch die sich hieran anschließenden abhängigen Ansprüche definiert .The problem is finally solved by a device for producing a light alloy wheel according to claim 4. Advantageous embodiments of the device are defined by the dependent claims that follow here. .

Die Erfindung basiert auf der Idee, eine eutektikumsnahe Aluminium-Silizium-Legierung unter Anwendung des wenig aufwendigen Niederdruck-Gießverfahrens zum Rohling zu gießen und zur Erzielung einer lunkerfreien, feinen Gefügestruktur den Erstarrungsvorgang derart zu steuern, daß lokal, d.h. an jeder Stelle des Querschnitts, eine Abkühlrate von 80 K pro Minute und höher eingehalten wird. Die gezielte, selektive Kühlung erlaubt es außerdem, die Erstarrung so zu steuern, daß ausgehend von den am weitesten von der Zulaufstelle entfernten Bereichen die Erstarrungsfront auf die Zulaufstelle der Schmelze hin fortschreitet, so daß ein praktisch lunkerfreies Gefüge entsteht. Zusammen mit der beschriebenen hohen Abkühlrate entsteht eine homogene, feine Gefügestruktur mit optimalen Eigenschaften, wie sie bislang nur durch das aufwendige Gegendruckverfahren erzielbar war.The invention is based on the idea of casting a near-eutectic aluminum-silicon alloy into a blank using the inexpensive low-pressure casting process and controlling the solidification process in such a way that a cooling rate of 80 K per minute and higher is maintained locally, i.e. at every point in the cross-section. The targeted, selective cooling also makes it possible to control the solidification in such a way that, starting from the areas furthest away from the inlet point, the solidification front advances towards the inlet point of the melt, so that a structure that is practically free of voids is created. Together with the high cooling rate described, a homogeneous, fine structure is created with optimal properties that could previously only be achieved using the complex counterpressure process.

Durch Einhaltung von definierten Obergrenzen für die Beimengung von Eisen, Mangan und Kupfer ist sichergestellt, daß diese Bestandteile keine Auswirkung auf die Gußeigenschaften der Schmelze haben.By adhering to defined upper limits for the addition of iron, manganese and copper, it is ensured that these components have no effect on the casting properties of the melt.

In der praktischen Anwendung hat es sich gezeigt, daß ein Silizium-Anteil in Höhe von 9 bis 12 % zu den gewünschten, optimalen Ergebnissen führt. Der obere Grenzwert von 12 % sollte jedoch nicht überschritten werden, da der Rohling andernfalls zu spröde wird. Auch ist eine rein eutektische Legierung, d.h. eine Legierung mit einem Silizium-Anteil von 11,7 %, verwendbar, da infolge weiterer, z.T. unvermeidbarer Beimengungen kein ideales, punktförmiges Eutektikum entsprechend einem idealisierten Basisdiagramm vorhanden ist.In practical application, it has been shown that a silicon content of 9 to 12% leads to the desired, optimal results. However, the upper limit of 12% should not be exceeded, as otherwise the blank becomes too brittle. A purely eutectic alloy, i.e. an alloy with a silicon content of 11.7%, can also be used, as there is no ideal, point-shaped eutectic corresponding to an idealized basic diagram due to further, partly unavoidable admixtures.

Bevorzugt wird als weiterer Legierungsbestandteil Magnesium mit einem Anteil von 0,20 bis 0,30 %, vorzugsweise zwischenMagnesium is preferred as an additional alloy component with a proportion of 0.20 to 0.30%, preferably between

0,22 und 0,25 %, der Legierung beigemengt, um in einem nachgeschalteten Bearbeitungsschritt eine Warmaushärtung zu ermöglichen.0.22 and 0.25% are added to the alloy to enable hot hardening in a subsequent processing step.

Es hat sich gezeigt, daß bei einem üblich gestalteten Leichtmetallrad die geforderte Abkühlrate von 80 K pro Minute und höher lokal erreicht werden kann, und zwar dadurch, daß in der Kokille Kühlkanäle angeordnet· sind. Je nach Ausführungsform können diese einzeln oder zu Gruppen zusammengefaßt jeweils unabhängig voneinander mit Druckluft beaufschlagt werden. Hierbei eignet sich die üblicherweise in Druckluftnetzen der Gießereibetriebe ohnehin vorhandene Druckluft mit 6 bis 8 bar, die jedoch zweckmäßigerweise gefiltert und getrocknet werden sollte. Eine optimale Kühlwirkung läßt sich erzielen, wenn die Kühlkanäle unmittelbar benachbart zu Wandungen verlaufend angeordnet sind, welche gegenüberliegend den eigentlichen Formenraum bilden, in den die Schmelze eingedrückt wird. Die Kühlkanäle sind bevorzugt mit düsenartigen, auf die Wandungen ausgerichteten Austrittsöffnungen versehen, so daß die Schmelze in der beschriebenen Art und Weise gezielt fortschreitend abgekühlt werden kann. Es versteht sich von selbst, daß für die Ansteuerung der einzelnen Kühlkanäle oder Gruppen von Kühlkanälen eine Steuerung vorgesehen werden kann, die in Abhängigkeit der abzugießenden Geometrie und der Gegebenheiten in der Kokille den Erstarrungsfortschritt mit der geforderten Abkühlrate automatisch ablaufen läßt.It has been shown that the required cooling rate of 80 K per minute and higher can be achieved locally for a conventionally designed light metal wheel by arranging cooling channels in the mold. Depending on the design, these can be supplied with compressed air individually or in groups, each independently of the other. The compressed air at 6 to 8 bar that is usually available in the compressed air networks of foundries is suitable for this, but it should be filtered and dried. An optimal cooling effect can be achieved if the cooling channels are arranged immediately adjacent to walls, which form the actual mold space opposite them, into which the melt is pressed. The cooling channels are preferably provided with nozzle-like outlet openings aligned with the walls, so that the melt can be progressively cooled in a targeted manner in the manner described. It goes without saying that a control system can be provided for controlling the individual cooling channels or groups of cooling channels, which automatically allows the solidification process to proceed at the required cooling rate depending on the geometry to be cast and the conditions in the mold.

Die Erfindung wird nachstehend näher anhand der schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigenThe invention is explained in more detail below using the schematically illustrated embodiments.

Figur 1 Schnitt durch die Kokille,Figure 1 Section through the mould,

Figur 2 schematischer Schnitt durch die Niederdruck-Gießmaschine mit eingesetzter Kokille,Figure 2 schematic section through the low-pressure casting machine with inserted mold,

Figur 3 Halbschnitt eines Leichtmetallrades (Vergleich Rohling zu Endform).Figure 3 Half section of a light alloy wheel (comparison of blank and final form).

Der grundsätzliche Aufbau eines Leichtmetallrades 100 ist in Figur 3 zu erkennen, wobei die darin wiedergegebene Querschnittsform an sich als Beispiel einer üblichen Gestaltung gelten kann. Das Leichtmetallrad 100 besitzt eine Nabe 101, an der einstückig übergehend Speichen 102 angeformt sind. Der aus Nabe 101 und Speichen 102 gebildete Bereich wird als (Rad)Schüssel 103 bezeichnet. Es ist dies der Bereich, der dem Grunde nach das Design des gesamten Leichtmetallrades 100 bestimmt. Die Speichen 102 münden radial nach außen gerichtet in einen Bereich, der den (hier nicht dargestellten) Reifen aufnimmt und gebildet ist von einem Außenhorn 10 6, einer Felge 105 und einem Innenhorn 104.The basic structure of a light alloy wheel 100 can be seen in Figure 3, whereby the cross-sectional shape shown therein can in itself be considered an example of a common design. The light alloy wheel 100 has a hub 101, onto which spokes 102 are integrally formed. The area formed by the hub 101 and spokes 102 is referred to as the (wheel) bowl 103. This is the area that essentially determines the design of the entire light alloy wheel 100. The spokes 102 open radially outwards into an area that accommodates the tire (not shown here) and is formed by an outer flange 106, a rim 105 and an inner flange 104.

In Figur 3 sind gleichzeitig verschiedene Stadien während des Herstellprozesses erkennbar. Ausgangspunkt stellt Rohling R dar, der in der nachstehend näher beschriebenen Art und Weise im Niederdruck-Gießverfahren für die weitere Bearbeitung hergestellt ist. Der Rohling R umfaßt den Bereich der Schüssel 103, an den sich das Außenhorn 106 und ein Umformabschnitt 110 anschließen. Das Außenhorn 106 ist dem Endmaß bereits angenähert, kann jedoch einen Übermaßabschnitt 120 beinhalten, der mit einem spanabhebenden Verfahren auf ein exaktes Endmaß gebracht werden kann. Der Umformabschnitt 110 ist hinsichtlich seiner Grundform grob der endgültigen Form der Felge 105 und des Innenhorns 104 angenähert, weist jedoch im Querschnitt eine größere Dicke auf und ist hinsichtlich seiner axialen Erstreckung kürzerIn Figure 3, various stages during the manufacturing process can be seen at the same time. The starting point is blank R, which is manufactured in the manner described in more detail below using a low-pressure casting process for further processing. Blank R comprises the area of bowl 103, to which outer horn 106 and a forming section 110 are connected. Outer horn 106 is already close to the final dimension, but can contain an oversize section 120, which can be brought to an exact final dimension using a machining process. In terms of its basic shape, forming section 110 is roughly close to the final shape of rim 105 and inner horn 104, but has a greater thickness in cross-section and is shorter in terms of its axial extent.

gestaltet. Diese Art der Profilierung ist gewählt, um während des Abgießens des Rohlings R keine allzu große Entfernung des Endabschnitts von der im Nabenbereich angesiedelten Zuführstelle der Schmelze überwinden zu müssen, so daß eine homogene und lunkerfreie Gefügestruktur am Rohling R erreicht wird.This type of profiling is chosen so that during the casting of the blank R the distance between the end section and the melt feed point located in the hub area does not have to be too great, so that a homogeneous and void-free structure is achieved on the blank R.

Weiterhin ist in Figur 3 die endgültige Form der Felge 105 und des Innenhorns 104 dargestellt. Der Bereich der Felge 105 besitzt nunmehr einen relativ dünnwandigen Querschnitt, der aus Gründen der Gewichtsersparung gewünscht ist. Das Innenhorn 104 besitzt im umgeformten Zustand Übermaßabschnitte 121, 122, die ebenfalls in einem nachgeschalteten Bearbeitungsschritt spanabhebend entfernt werden, um ein exakt bestimmtes Endmaß in diesem Bereich sicherzustellen. Der Umformvorgang erfolgt spanlos, im vorliegenden Fall durch Abstrecken des Rohlings R. Hieraus ergibt sich, daß das Leichtmetallrad 100 zwei unterschiedliche Gefügebereiche besitzt, nämlich im Bereich der Schüssel 103 das Gußgefüge, welches nicht mehr weiter verformt wurde, sowie im Bereich der Felge 105 einschließlich des Außenhorns 106 und des Innenhorns 104 ein Gefüge, das durch den spanlosen Umformvorgang modifiziert und verdichtet ist.Furthermore, Figure 3 shows the final shape of the rim 105 and the inner flange 104. The area of the rim 105 now has a relatively thin-walled cross-section, which is desired for reasons of weight saving. In the formed state, the inner flange 104 has oversized sections 121, 122, which are also removed by machining in a subsequent processing step in order to ensure a precisely defined final dimension in this area. The forming process is carried out without cutting, in this case by ironing the blank R. This means that the light alloy wheel 100 has two different structural areas, namely in the area of the bowl 103 the cast structure, which was no longer deformed, and in the area of the rim 105 including the outer flange 106 and the inner flange 104 a structure that is modified and compacted by the non-cutting forming process.

Im hier nicht dargestellten Fall einer Felge mit Anschraubflansch unterscheidet sich der Rohling lediglich dahingehend, daß anstelle der Radschüssel der Anschraubflansch geformt wird, der analog zur Radschüssel an der spanlosen Umformung nicht teilnimmt und demzufolge ein reines Gußgefüge besitzt.In the case of a rim with a screw-on flange (not shown here), the blank differs only in that the screw-on flange is formed instead of the wheel disc, which, like the wheel disc, does not take part in the chipless forming process and therefore has a pure cast structure.

In Figur 2 ist eine an sich übliche Niederdruck-Gießmaschine 1 dargestellt, mit der das Leichtmetallrad 100 bzw. der Rohling R hergestellt wird. Die Niederdruck-Gießmaschine 1Figure 2 shows a conventional low-pressure casting machine 1, with which the light alloy wheel 100 or the blank R is produced. The low-pressure casting machine 1

ist auf Säulen 2 aufgebaut, die eine Basisplatte 3 und darüberliegend ein Querjoch 4 aufweisen. Auf der Basisplatte 3 ist eine Kokille 20 aufgebaut, die dort im einseinen nicht erkennbar, jedoch in Figur 1 näher beschrieben, modifiziert ist. Von oben ist eine Auswerf erplatte 5 auf die Kokille 20 aufgesetzt, wobei die Betätigung durch einen Hubzylinder 6 in an sich bekannter Weise realisiert ist.is built on columns 2, which have a base plate 3 and a cross yoke 4 above it. A mold 20 is built on the base plate 3, which is not visible there in its own right, but is modified as described in more detail in Figure 1. An ejector plate 5 is placed on the mold 20 from above, whereby the actuation is realized by a lifting cylinder 6 in a manner known per se.

Unterhalb der Basisplatte 3 ist ein Ofen 7 angeordnet, in dem ein Tiegel 8 integriert ist. In das Innere des Tiegels 8 hineinragend ist ein Steigrohr 9 vorgesehen, welches die Verbindung zwischen einer im Tiegel 8 befindlichen Schmelze Sm und dem Formeninnenraum 99 herstellt. Der Innenraum des Ofens 7 ist (hier nicht näher dargestellt) gegenüber der Umgebung druckdicht ausgebildet, so daß darin über eine Luftzuführleitung 10 zugeführte Druckluft ein Überdruck im Innern des Tiegels 8 aufgebaut und somit Schmelze Sm über das Steigrohr 9 in die Kokille 20 eingedrückt werden kann.A furnace 7 is arranged beneath the base plate 3, in which a crucible 8 is integrated. A riser pipe 9 is provided protruding into the interior of the crucible 8, which creates the connection between a melt Sm in the crucible 8 and the mold interior 99. The interior of the furnace 7 is designed to be pressure-tight against the environment (not shown in detail here), so that compressed air supplied via an air supply line 10 builds up an overpressure in the interior of the crucible 8 and thus melt Sm can be pressed into the mold 20 via the riser pipe 9.

Die Schmelze Sm ist eine Aluminium-Silizium-Legierung mit eutektikumsnaher Zusammensetzung. Daneben sind weitere Bestandteile beigemengt, nämlich Eisen mit einem Anteil von maximal 0,12 %, Mangan mit einem maximalen Anteil von 0,015 % sowie Kupfer mit einem maximalen Anteil von 0,005 %. Diese Grenzwerte stellen sicher, daß die Bestandteile die Gußeigenschaften nicht beeinflussen. Ein optimales Ergebnis wird erzielt, wenn die vorstehend genannten Grenzwerte nicht voll ausgenutzt werden, sondern niedriger liegen, nämlich für Eisen bei 0,10 %, für Mangan bei 0,01 % und für Kupfer bei 0,003 %. Weiterhin enthält die Legierung zusätzlich Magnesium mit einem Anteil von 0,20 bis 0,30 %, bevorzugt zwischen 0,22 und 0,25 %, um eine Warraaushärtung im Fertigzustand zu ermöglichen. Die vorstehend beschriebene Zusammensetzung der Schmelze Sm ermöglicht einerseits eine optimaleThe melt Sm is an aluminum-silicon alloy with a composition close to a eutectic. In addition, other components are added, namely iron with a maximum content of 0.12%, manganese with a maximum content of 0.015% and copper with a maximum content of 0.005%. These limit values ensure that the components do not affect the casting properties. An optimal result is achieved if the limit values mentioned above are not fully utilized, but are lower, namely 0.10% for iron, 0.01% for manganese and 0.003% for copper. The alloy also contains magnesium with a content of 0.20 to 0.30%, preferably between 0.22 and 0.25%, in order to enable warra hardening in the finished state. The composition of the melt Sm described above enables, on the one hand, an optimal

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Vergießbarkeit, andererseits führt sie zu hervorragenden mechanischen Werten am Rohling einerseits, der sich im sich anschließenden spanlosen Umformprozeß ideal auf die gewünschte Sndkontur bringen läßt, und andererseits zu erheblich verbesserten mechanischen Kennwerten am Endprodukt, dem Leichtmetallrad 100.Castability, on the other hand it leads to excellent mechanical values on the blank, which can be ideally shaped to the desired shape in the subsequent chipless forming process, and on the other hand to significantly improved mechanical characteristics on the end product, the light alloy wheel 100.

Maßgeblich zur Erzielung einer homogenen, lunkerfreien Gefügestruktur ist es, den Erstarrungsvorgang gesteuert ablaufen zu lassen. Dies bedeutet, daß durch gezielte Abkühlung die Erstarrungsfront ausgehend von Bereichen, die am weitesten von der Zuführstelle der Schmelze entfernt sind, d.h. ausgehend vom äußeren Ende des Umformabschnitts 110 zur Nabe hin voranschreitet. Andererseits ist es erforderlich, die Abkühlrate in jeden Punkt des Querschnitts auf mindestens 80 K pro Minute oder höher einzustellen, um die Dentritenarmabstände (DAS) möglichst klein zu halten. Dies wird ermöglicht durch Kühlkanäle, die in der in Figur 1 ersichtlichen Art und Weise im Innern der Kokille 20 integriert sind.The key to achieving a homogeneous, void-free structure is to allow the solidification process to proceed in a controlled manner. This means that through targeted cooling, the solidification front advances from areas that are furthest away from the melt feed point, i.e. from the outer end of the forming section 110 towards the hub. On the other hand, it is necessary to set the cooling rate at every point of the cross section to at least 80 K per minute or higher in order to keep the dendrite arm spacing (DAS) as small as possible. This is made possible by cooling channels that are integrated into the interior of the mold 20 in the manner shown in Figure 1.

Die Kokille 20 ist - wie an sich üblich - aufgebaut aus einem Unterteil 23, einem Oberkern 22 sowie Seitenschiebern 21. Diese Bauteile sind weitgehend von Hohlräumen 21a, 22a, 23a durchsetzt und weisen Wandungen 21b, 22b, 23b auf, die zusammen den Formenraum 99 bilden. Der Formenraum 99 ist mit dem Tiegel 8 über einen Zulaufkanal 24 verbunden, über den die Schmelze Sm zugeführt wird.The mold 20 is - as is usual - made up of a lower part 23, an upper core 22 and side slides 21. These components are largely penetrated by cavities 21a, 22a, 23a and have walls 21b, 22b, 23b, which together form the mold space 99. The mold space 99 is connected to the crucible 8 via an inlet channel 24, via which the melt Sm is fed.

In den Hohlräumen 21a, 22a, 23a sind Kühlkanäle 30 integriert. Diese verlaufen in der Nähe der Wandungen 21b, 22b, 23b und besitzen Austrittsöffnungen 31, die unmittelbar auf die Wandungen 21b, 22b, 23b ausgerichtet sind. Die Kühlkanäle 30 sind mit Druckluft beaufschlagbar, und zwar einzelnCooling channels 30 are integrated in the cavities 21a, 22a, 23a. These run close to the walls 21b, 22b, 23b and have outlet openings 31 that are directly aligned with the walls 21b, 22b, 23b. The cooling channels 30 can be supplied with compressed air, individually

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oder in Gruppen, so daß von einer Steuerung kontrolliert eine gezielte Kühlung einzelner Wandabschnitte möglich ist. Diese Möglichkeit wird dazu genutzt, die Erstarrungsfront in der vorstehend beschriebenen Art und Weise fortschreiten zu lassen und die lokale Abkühlrate einzuhalten. Der erforderliche Aufwand zur Modifikation einer an sich üblichen Kokille ist kostengünstig durchführbar, auch kann die Niederdruck-Gießmaschine 1 dem Grunde nach konventionell ausgeführt sein.or in groups, so that a controlled, targeted cooling of individual wall sections is possible. This option is used to allow the solidification front to progress in the manner described above and to maintain the local cooling rate. The effort required to modify a conventional mold can be carried out inexpensively, and the low-pressure casting machine 1 can also be designed in a conventional way.

Unter Verwendung der obenstehend näher beschriebenen nahe eutektischen Legierung gelingt die Herstellung eines Leichtmetallrades 100 mit erheblich verbesserten mechanischen Kennwerten. In der nachstehenden Tabelle sind charakteristische Kennwerte, wie Zerreißfestigkeit Rm, 0,2 Dehngrenze Rp und Bruchdehnung A5 und Biegewechselfestigkeit Sigma wiedergegeben, und zwar im Vergleich zweier Legierungen, wobei bei einer ersten Legierung (AlSiIl) kein Magnesium beigemengt ist, mit einer zweiten Legierung (AlSil2Mg wa), die eine Beimengung von Magnesium in dem genannten Bereich aufweist.Using the near eutectic alloy described in more detail above, it is possible to produce a light alloy wheel 100 with significantly improved mechanical properties. The following table shows characteristic values such as tensile strength Rm, 0.2 yield strength Rp and elongation at break A5 and fatigue strength Sigma, in comparison of two alloys, whereby a first alloy (AlSiIl) does not contain any magnesium with a second alloy (AlSil2Mg wa) which contains magnesium in the range mentioned.

Legierung Werkstoffstruktur Rm RpO,2 A5 Sigma bWAlloy Material structure Rm RpO,2 A5 Sigma bW

(MPa) (MPa) (%) (MPa)(MPa) (MPa) (%) (MPa)

AlSiIl Gußstruktur 169 82 4,0 85AlSiIl cast structure 169 82 4.0 85

(Bereich Speiche)(spoke area)

AlSil2Mg wa Gußstruktur ' 278 208 4,7 95
(Bereich Speiche)AlSil2Mg wa cast structure ' 278 208 4.7 95
(spoke area)

Verformungsstruktur 302 231 10,4 125
(Bereich Innenbett;
abgestreckt)Deformation structure 302 231 10.4 125
(Inner bed area;
stretched)

Hiernach ergibt sich bei der Gußstruktur, d.h. im Bereich der Speiche, bereits eine wesentliche Steigerung der Kennwerte, die durch die nachgeschaltete spanlose Umformung im Bereich des Innenbetts nochmals erheblich verbessert sind.This results in a significant increase in the characteristics of the cast structure, i.e. in the area of the spoke, which are further significantly improved by the subsequent chipless forming in the area of the inner bed.

Somit ist es möglich, Leichtmetallräder mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften mit hochkomplexer Geometrie zu realisieren. Die Anwendung des erfindungsgemäß modifizierten Niederdruck-Gießverfahrens" in Verbindung mit dem Umformvorgang Abstrecken eröffnet die Möglichkeit zu einer äußerst kostengünstigen und damit wirtschaftlichen Fertigung solcher Räder.This makes it possible to produce light alloy wheels with excellent mechanical properties and highly complex geometries. The use of the modified low-pressure casting process in accordance with the invention in conjunction with the ironing forming process opens up the possibility of extremely cost-effective and therefore economical production of such wheels.

Dipl.-lng. KLAUS WESTF3h4L * Dr. rer.nat. BERND MUSSQNUfc Dr.-lng. PETER NEUNERT Dipi.-lng. ROBERT GÖHRINGDipl.-lng. KLAUS WESTF3h4L * Dr. rer.nat. BERND MUSSQNUfc Dr.-lng. PETER NEUNERT Dipi.-lng. ROBERT GÖHRING

'··· Waigstrasse 33'··· Waigstrasse 33

·· &Idigr;&Mgr;8048 VS-VILLINGEN·· &Idigr;&Mgr;8048 VS-VILLINGEN

Telefon (07721) 56007 Telex 7921573 wemu d Telefax (07721)55164Telephone (07721) 56007 Telex 7921573 wemu d Fax (07721)55164

Dr. rer. nat. OTTO BUCH N ERDr. rer. nat. OTTO BUCH N ER

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bbsOOlbbsOOl

Bezugs&zgr;eichenlisteReference oak list

11 NiederdruckgießmaschineLow pressure casting machine 22 Säulepillar 33 BasisplatteBase plate 44 QuerjochCross yoke 55 AuswerferplatteEjector plate 66 HubzylinderLifting cylinder 77 OfenOven &dgr;&dgr; Tiegelcrucible 99 SteigrohrRiser pipe 1010 LuftzufuhrleitungAir supply line 2020 KokilleMould 2121 SeitenschieberSideshift 21a21a Hohlraumcavity 21b21b WandungWall 2222 OberkernUpper core 22a22a Hohlraumcavity 22b22b WandungWall 2323 UnterteilBottom part 23a23a Hohlraumcavity 23b23b WandungWall 2424 ZulaufkanalInlet channel 3030 KühlkanalCooling channel 3131 AustrittsöffnungOutlet opening

FormenraumForm space

100 Leichtmetallrad100 alloy wheel

101 Nabe101 Hub

Postbank: Karlsruhe 76979-754 Bankkonto: Deutsche Bank AG Villingen (BLZ 69470039) 146332 V.A.T.No. DE142989261Postbank: Karlsruhe 76979-754 Bank account: Deutsche Bank AG Villingen (bank code 69470039) 146332 V.A.T.No. DE142989261

102 Speiche102 spoke

103 Schüssel103 Bowl

104 Innenhorn104 Inner horn

105 Felge105 rim

106 Außenhorn106 Outer Horn

110 Umformabschnitt110 Forming section

120120 ÜbermaßabschnittOversize section 121121 ÜbermaßabschnittOversize section 122122 Übermaßabs chnittOversize cut RR Rohlingblank SmSm Schmelzemelt

Claims (6)

SCHUTZANSPRUCHEPROTECTION CLAIMS 1. Leichtmetallrad für Kraftfahrzeuge, hergestellt aus einem Rohling, der aus einer Aluminium enthaltenden Legierung gegossen und nach dem Abkühlen zumindest bereichsweise spanlos umgeformt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminium enthaltende Legierung eine nahe eutektische Aluminium-Silizium-Legierung (Al-Si-Legierung) ist, und daß der Rohling (R) im Niederdruckgießverfahren hergestellt ist und durch einen gezielt lokal gesteuerten Erstarrungsvorgang unter Einhaltung einer lokalen Abkühlrate von 80 K/min und höher eine für die spanlose Umformung ausreichend feine Gefügestruktur besitzt.1. Light metal wheel for motor vehicles, manufactured from a blank which is cast from an aluminum-containing alloy and, after cooling, is formed without cutting at least in some areas, characterized in that the aluminum-containing alloy is a near eutectic aluminum-silicon alloy (Al-Si alloy) and that the blank (R) is manufactured using a low-pressure casting process and, through a targeted, locally controlled solidification process while maintaining a local cooling rate of 80 K/min and higher, has a sufficiently fine microstructure for non-cutting forming. 2. Leichtmetallrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung neben Aluminium (Al) als Hauptbestandteil zumindest2. Light metal wheel according to claim 1, characterized in that the alloy contains, in addition to aluminum (Al) as the main component, at least Silizium (Si) mit einem Anteil von 9 bis 12 %,
sowie Beimengungen vonSilicon (Si) with a proportion of 9 to 12 %,
and admixtures of Eisen (Fe) mit einem Anteil von maximal 0,12 %, vorzugsweise maximal 0,10 %,Iron (Fe) with a maximum content of 0.12%, preferably maximum 0.10%, Mangan (Mn) mit einem Anteil von maximal 0,015 %, vorzugsweise maximal 0,01 % undManganese (Mn) with a maximum content of 0.015%, preferably a maximum of 0.01% and Kupfer (Cu) mit einem Anteil von maximal 0,005 %, vorzugsweise maximal 0,003 %Copper (Cu) with a maximum content of 0.005%, preferably a maximum of 0.003% enthält.contains. Postbank: Karlsruhe 769 79-754 Bankkonto: Deutsche Bank AG Villingen (BLZ 694 700 39) 146 332 V. A.T. No. DE 142989261Postbank: Karlsruhe 769 79-754 Bank account: Deutsche Bank AG Villingen (bank code 694 700 39) 146 332 V. A.T. No. DE 142989261 3. Leichtmetallrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung zusätzlich Magnesium (Mg) mit einem Anteil von 0,20 bis 0,30 %, vorzugsweise 0,22 bis 0,25 % aufweist.3. Light metal wheel according to claim 1 or 2, characterized in that the alloy additionally contains magnesium (Mg) in a proportion of 0.20 to 0.30%, preferably 0.22 to 0.25%. 4. Vorrichtung zum Herstellen eines Lexchttnetallrades für ein Kraftfahrzeug in Form einer Niederdruckgießmaschine mit einer Kokille, die aus einem Unterteil, einem Oberkern sowie Seitenschiebern besteht, dadurch gekennzeichnet, daß in Hohlräumen (21a, 22a, 23a) der Kokille (20) Kühlkanäle (3 0) angeordnet sind.4. Device for producing a light alloy all-wheel drive for a motor vehicle in the form of a low-pressure casting machine with a mold which consists of a lower part, an upper core and side slides, characterized in that cooling channels (3 0) are arranged in cavities (21a, 22a, 23a) of the mold (20). 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (3 0) einzeln oder zu Gruppen zusammengefaßt jeweils unabhängig voneinander mit Druckluft beaufschlagbar sind.5. Device according to claim 4, characterized in that the cooling channels (3 0) can be supplied with compressed air individually or in groups independently of one another. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (3 0) unmittelbar benachbart zu einen Formenraum (99) bildenden Wandungen (21b, 22b, 23b) verlaufend angeordnet und mit düsenartigen, auf die Wandungen (21b, 22b, 23b) ausgerichteten Austrittsöffnungen (31) versehen sind.6. Device according to claim 4 or 5, characterized in that the cooling channels (30) are arranged immediately adjacent to walls (21b, 22b, 23b) forming a mold space (99) and are provided with nozzle-like outlet openings (31) aligned with the walls (21b, 22b, 23b). 176/126176/126