Zhang, Jiulai (August-Bebel-Strasse 61, Cottbus, 03046, DE)
Wagner, Lothar (Ampferweg 1, Clausthal-Zellerfeld, 38678, DE)
Zhang, Jiulai (August-Bebel-Strasse 61, Cottbus, 03046, DE)
| 1. | Verfahren zur Herstellung von Metalllegierungen mit geringen Korngrö ßen innerhalb eines nichtextrudierten Metalllegierungskörpers, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen des nichtextrudierten Metalllegie rungskörpers (10) mit einer Korngröße größer als 200, um durch eine zyk lische, ortsabhängig alternierende Belastung der Oberfläche des nicht extrudierten Metalllegierungskörpers (10) alternierend lokal komprimiert und dekomprimiert wird. |
| 2. | Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zyklische, ortsabhängig alternierende Belastung der Oberfläche des Metalllegie rungskörpers (10) durch temporären Druck mittels druckausübender E lemente auf einzelne definierte Flächensegmente der Oberfläche des Metalllegierungskörpers (10) ausgeübt wird. |
| 3. | Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Flächensegment der Oberfläche in einem ersten Presszyklus zuerst eine von zwei Teilflächen des Flächensegments mittels druckaus übender Elemente belastet und in einem zweiten Presszyklus anschlie ßend die zweite Teilfläche des Flächensegments mittels anderer druck ausübender Elemente belastet wird, wobei im zweiten Presszyklus die erste Teilfläche unbelastet bleibt. |
| 4. | Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Flächensegments während des zweiten Presszyklusses die nicht belastete erste Teilfläche mittels volumetrischer Kräfte innerhalb des Metalllegierungskörpers (10) und/oder mittels zugausübender Ele mente und/oder mittels Federrückstellender Elemente relaxiert. |
| 5. | Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss des zweiten Presszyklusses der Metalllegierungskörper (10) wieder in die Ausgangsvolumenform wie vor den zwei Presszyklen zu rückkehrt. |
| 6. | Verfahren nach Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss der zwei Presszyklen auf dem Flächensegment eine weitere Anzahl von ganzzahligen Presszyklen durchgeführt werden. |
| 7. | Verfahren nach Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des jeweiligen Flächensegments symmetrisch, insbesondere kreis förmig oder rechteckig, ist. |
| 8. | Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wäh rend der Prozesszyklen innerhalb des gesamten Metaillegierungskörpers (10) die Temperatur konstant in einem Bereich von bis zu 600°C gehal ten wird. |
| 9. | Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche des Metalllegierungskörpers (10) die Flächensegmente derart definiert werden, dass sie aneinander anschließen und die Ober fläche des Metalllegierungskörpers (10) bezüglich mindestens einer Aus richtung senkrecht zur Längsachse des Metalllegierungskörpers (10) vollständig mit Flächensegmenten ausgefüllt sind. |
| 10. | Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompri mierung und Dekomprimierung sukzessiv an miteinander verbundenen Flächensegmenten zyklisch und alternierend entlang der Oberfläche des Metalilegierungskörpers (10) erfolgt. |
| 11. | Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompri mierung und Dekomprimierung sukzessiv an miteinander verbundenen Flächensegmenten zyklisch und gleichzeitig entlang der Oberfläche des Metalilegierungskörpers (10) erfolgt. |
| 12. | Verfahren nach Ansprüchen 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Komprimierung und Dekomprimierung sukzessiv an miteinander verbun denen Flächensegmenten zyklisch und gleichzeitig entlang bezüglich mehrerer Oberflächenausrichtungen des Metalllegierungskörpers (10) er folgt. |
| 13. | Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem definierten Flächen segment auf der Oberfläche des Metalilegierungskörpers (10) mit grober Korngröße a) ein druckausübendes Element (12) eine von zwei Teilflächen des Flächensegments während eines ersten Presszyklusses belastet, und anschließend b) ein anderes, zum ersten passgenau korrespondierendes, druckaus übendes Element (13) auf die andere, zweite Teilfläche aufgebracht und in einem anschließenden zweiten Pressenzyklus diese zweite Teilfläche belastet. |
| 14. | Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein druck beständiger Container (11) parallel zur Oberfläche des Metalllegierungs körpers (10) zur vertikalen Führung der druckausübenden Elemente (12,13) dient, wobei ein Flächensegment durch den Innendurchmesser des Containers (11) definiert ist. |
| 15. | Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die druckausübenden Elemente (12,13) korrespondierend und passgenau den Innendurchmesser des Containers (11) ausfüllen. |
| 16. | Vorrichtung nach den Ansprüchen 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Metalllegierungskörpers (10) dem Querschnitt des Containers (11) entspricht. |
| 17. | Vorrichtung nach den Ansprüchen 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Presse den Druck im Innenraum des Containers (11) durch Stempelelemente (12,13) auf jeweils eine von zwei Teilflächen er zeugt. |
| 18. | Vorrichtung nach den Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit der Presse verbundener Kraftüberträger (14) alternierend und zyk lisch die Stempelelemente (12,13) ansteuert und den Druck der Presse auf die jeweilige Teilfläche der Stempelelemente (12,13) überträgt. |
| 19. | Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass nach Be lastung des ersten Stempelelements (12) mittels der Presse und des Kraftüberträgers (14), der Kraftüberträger (14) entlastet und anschlie ßend ausschließlich über das zweite Stempelelement (13) der Druck der Presse über den wiederbelastenden Kraftüberträger (14) übertragen wird. |
| 20. | Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Metalilegierungskörper (10), die Stempelelemente (12,13), der Kraftüberträger (14) und die Stahiplatte (15) auf eine konstante Prozess temperatur in einem Bereich von bis 600°C aufgeheizt sind. |
| 21. | Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Stempelfläche des ersten Stempelelements (12) insbesondere als äußere, mit dem Innendurchmesser des Containers (11) korrespon dierende Fläche mit einer kreisförmigen Aussparung oder als halbseitig den Innendurchmesser des Containers (11) füllende Fläche angeordnet und die zweite Teilfläche korrespondierend zur ersten Teilfläche inner halb des Innendruchmessers des Containers (11) ausgebildet ist. |
| 22. | Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Stempelfläche des zweiten Stempelelements (13) passgenau und korrespondierend zur ersten Stempelfläche des ersten Stempelele ments (12) innerhalb des Innendruchmessers des Containers (11) aus gebildet ist. |
| 23. | Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Stempelelemente (12,13) und die Höhe des Metalle gierungskörpers (10) zusammengenommen größer als die Höhe des Containers (11) ist, wobei die Stempelelemente (12,13) jeweils während eines Presszyklusses so weit in den Metalllegierungskörper (10) gepresst werden, dass die Oberkante der jeweiligen Stempelelemente (12,13) mit der Oberkante des Containers (11) übereinstimmt. |
| 24. | Vorrichtung nach den Ansprüchen 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen ersten (12) und zweiten Stempelelemente (13) eines Flächensegments einzeln ansteuerbar sind. |
| 25. | Vorrichtung nach den Ansprüchen 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Flächensegment im ersten Presszyklus das erste Stempelelement (12) durch einen Kraftüberträger (14) angesteuert und in einem zwei Pressungszyklus das zweite Stempelelement (13) an gesteuert wird und anschließend im hierzu nächstgelegenen Flächen segment ein neuer Presszyklus initiiert wird. |
| 26. | Vorrichtung nach den Ansprüchen 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich einer Ausrichtung senkrecht zur Längsachse des Metall legierungskörpers alle Flächensegmente im ersten Presszyklus das je weils erste Stempelelement (12) durch einen Kraftüberträger (14) ange steuert und in einem zwei Pressungszyklus das jeweils zweite Stempel element (13) gleichzeitig angesteuert wird. |
Die Verwendung von Leichtmetallwerkstoffen, insbesondere im Automobil-und Flugzeugbau, dient vor allem der Gewichtsreduzierung der verwendeten Bauteile.
Die Verwendung von vorgefertigten Körpern aus Leichtmetallwerkstoffen, wie z. B.
Aluminium-, Metall-und Titanlegierungen, bereitet jedoch insbesondere bei der wei- teren Verarbeitung wie z. B. beim Walzen, Schmieden oder Rollen, Fertigungsprob- leme, da aufgrund der zumeist großen Korngrößen der Ausgangswerkstoffen Risse und Brüche zumeist entlang der Korngrenzen an den Ecken der Körper aus Leicht- metallwerkstoffen entstehen. Dies beeinflusst und reduziert die mechanischen und optischen Eigenschaften der Bauteile.
Im Stand der Technik wird daher zum einen versucht, die mechanischen Eigen- schaften der entsprechenden Ausgangslegierungen zu verbessern. Die DE 199 37 184 A1 betrifft z. B. eine Metallegierung für die Verwendung bei erhöhten Tempera- turen, die sich besonders zur Verwendung beim Druckgießverfahren eignet.
Nachteilig hierbei ist, dass bisher bekannte und häufig verwendete Leichtmetallle- gierungen nicht verwendet werden können und für jede Anwendung und jedes An- wendungsverfahren eine spezielle Leichtmetalllegierung entwickelt werden müsste.
Weiterhin sind im Stand der Technik spezielle Bearbeitungs-und Fertigungsverfah- ren von häufig verwendeten Leichtmetallegierungen bekannt. Die DE 199 17 175 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, sowie das erfindungs- gemäße Bauteil. Das Bauteil wird in einer Druckgussform mittels eines keramischen Grünkörpers in der Druckgussform dadurch hergestellt, dass dieser Grünkörper mit einem Metall oder einer Metallegierung befüllt wird, wobei der Grünkörper als ke- ramischer Grundkörper mittels einer keramischen Pulvermischung durch ein Heiz- und Pressverfahren hergestellt wird. Nachteilig ist hierbei, dass dieses Verfahren nur im Druckgussverfahren anwendbar ist. Die DE 100 33 768 A1 beschreibt ein Verfahren zum Falzen von dünnwandigen Halbzeugen oder Bauteilen aus mindes- tens einem metallischen Werkstoffen, wobei der Werkstoff bei Raumtemperatur schwer oder spröde verformbar ist und im zum falzenden Bereich erhitzt wird.
Nachteilig ist hierbei jedoch, dass die Sprödeigenschaften der bearbeitenden Me- tallwerkstoffe während der Falzung nicht verändert werden und daher die Bauteile weiterhin bruch-und rissanfällig in nachfolgenden Fertigungsabschnitten sind.
Ebenfalls ist bekannt, dass insbesondere bei der Weiterumformung von herkömmli- chen Metallwerkstoffen, wie z. B. dem Walzen oder Schmieden, die Verteilung und die Größe von Korngrößen in einem herkömmlichen Metallwerkstoffkörper, insbe- sondere bei der Walzbearbeitung, einen entscheidenden Einfluss auf während der Fertigung entstehende Bruch-und Rissstellen der Bauteile hat. Die 25 21 330 C2 beschreibt ein Verfahren zur Induzierung einer gleichzeitig mit der Wärmeverfor- mung verlaufenden dynamischen Rekristallisation in einer Metallegierung mit einem nichtausreichenden feinkörnigen Gefüge, wobei zur Gefügebeeinflussung einer Me- talliegierung der Metalilegierungsrohling zusätzliche Elemente, wie z. B. Kupfer oder Zink, enthält und diese als Mischkristalle vorliegen, wobei das feinkörnige Gefüge sich aufgrund einer vorgegebenen Verformtemperatur und einer vorgegebenen Dehnungsgeschwindigkeit im Rohling aufgrund einer fortschreitenden Rekristallisa- tion ausbildet. Nachteilig ist hierbei, dass die Veränderung des Gefüges von der Rekristallisationsgeschwindigkeit innerhalb des Rohlings abhängt und daher im Rahmen eines Bearbeitungs-und Fertigungsverfahrens nur eingeschränkt einsetz- bar ist.
Weiterhin beschreibt die DE 695 05 327 T2 ein Verfahren zur Herstellung eines lo- kalisierten Feinkornmikrogefüges auf ausgewählten Oberflächen aus Aluminiumle- gierungen. Die Oberfläche eines Aluminiumbleches mit einer Grobkornmikrostruktur mit allgemein parallel zur Längsebene liegenden langen Korngrenzen wird durch eine Kugelfinnenbearbeitung innerhalb von vorhandenen Bohrungen lokal bearbei- tet, indem die grobkörnige Mikrostruktur aufgebrochen und anschließend durch eine lokalisierte Wärmebehandlung eine Rekristallisation initiiert wird. Nachteilig ist hier- bei, dass das Verfahren nur für Bohrung innerhalb einer Aluminiumlegierung eines Flugzeugbleches anwendbar ist. Weiterhin ist die Deformationstiefe dieses Verfah- rens in die Oberfläche nur sehr gering, so dass hiermit lediglich die Oberflächenkor- rosion der behandelten Flächen nicht jedoch eine Bruch-und Rissbildung beim Walzen verhindert wird.
Die DE 195 08 718 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung der Eigenschaf- ten einer Legierung mittels Extrusion oder alternativ durch Anwendung einer Kraft aus verschiedenen Richtungen. Beide alternativen Verfahrensarten sollen einen "Knetvorgang"der Rohlegierung gewährleisten. Dadurch wird die Feinkörnigkeit innerhalb des gesamten Metalllegierungskörper erhöht.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Er- findung, das Gefüge von vorhandenen Metalllegierungen derart zu beeinflussen, dass die Bruch-und Rissneigung von nicht-extrudierten Metalllegierungskörpern in Bearbeitungs-und Fertigungsverfahren, insbesondere beim Walzen, reduziert wird und damit eine kostengünstige Herstellung von walzfähigen Metalllegierungskörpern bereitgestellt wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß ist danach vorgesehen, dass die Oberflächen eines nicht-extrudierten Metalllegie- rungskörpers mit einer Korngröße größer als 200, um durch eine zyklische, ortsab- hängig alternierende Belastung der Oberfläche des nicht-extrudierten Metalllegie- rungskörpers alternierend lokal komprimiert und dekomprimiert, sowie permanent auf einen Prozesstemperaturbereich von bis 600°C erhitzt werden. Die zyklische, ortsabhängig alternierende Belastung der Oberfläche des Metalllegierungskörpers erfolgt durch temporären Druck mittels druckausübender Elemente auf einzelne definierte Flächensegmente der Oberfläche des Metalllegierungskörpers.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird Oberfläche als eine Oberflächenschicht des Metalllegierungskörpers verstanden, die durch die zyklische, ortsabhängige Belastung beeinflusst und verändert wird. Die Tiefe dieser Oberflächenschicht ist abhängig von der verwendeten Metallegierung, der Temperatur und der Deformati- onsrate der Metalilegierung aufgrund der zyklischen, ortsabhängig alternierenden Belastung entlang der Außenseiten des Metalilegierungskörpers.
In einem Flächensegment der Oberfläche wird in einem ersten Presszyklus zuerst eine von zwei Teilflächen des Flächensegments mittels druckausübender Elemente belastet und in einem zweiten Presszyklus anschließend die zweite Teilfläche des Flächensegments mittels anderer druckausübender Elemente komprimiert, wobei im zweiten Presszyklus die erste Teilfläche nicht belastet wird. Die Form des jeweiligen Flächensegments ist dabei bevorzugt symmetrisch, insbesondere kreisförmig oder rechteckig, ausgestaltet. Innerhalb eines Flächensegments wird während des zwei- ten Presszyklusses die nicht belastete erste Teilfläche aufgrund volumetrischer Kräfte innerhalb des Metalllegierungskörpers und/oder mittels zugausübender Ele- mente dekomprimiert. Weiterhin ist die Verwendung von Feder-rückstellenden Ele- menten vorgesehen, die als ortsabhängige Gegenkraft zur ersten Teilfläche eine Steuerung der Deformationshöhe und-rate der dekomprimierenden ersten Teilflä- che insbesondere zu Beginn des zweiten Presszyklusses erlauben. Gerade zu Be- ginn des zweiten Presszyklusses kann es aufgrund von wirkenden Reibungskräften zu einer ruckartigen Bewegung der dekomprimierenden ersten Teilfläche kommen, die die Materialeigenschaften der dekomprimierenden ersten Teilfläche negativ be- einflussen kann. Nach Abschluss des zweiten Presszyklusses hat der Metalllegie- rungskörper die Ausgangsvolumenform wie vor den zwei Presszyklen angenom- men. Diese Presszyklenabfolge kann beliebig oft innerhalb eines Flächensegments mit einer weitere Anzahl von ganzzahligen Presszyklen durchgeführt werden. Nach Abschluss der zwei Presszyklen wird der Metalllegierungskörper unbelastet für ei- nen Zeitraum auf eine Temperatur bis 600°C erwärmt, falls eine hohe Wärmever- lustrate innerhalb des Flächensegmentes gegeben ist. Weiterhin ist die Form der ersten Teilfläche bevorzugt als Ringfläche oder eine Halbkreisfläche innerhalb des Flächensegments und die zweite Teilfläche korrespondierend zur ersten Teilfläche innerhalb des Flächensegments ausgebildet. Ebenfalls werden auf der Oberfläche des Metalilegierungskörpers eine Vielzahl von Flächensegmenten definiert, wobei die Flächensegmente aneinander anschließen und die Oberfläche des Metalllegie- rungskörpers bezüglich mindestens einer Ausrichtung vollständig mit Flächenseg- menten bedeckt ist. Während der Prozesszyklen ist innerhalb des gesamten Metall- legierungskörpers eine konstante Temperatur in einem Temperaturbereich von bis 600°C gegeben. Während des Verfahrens wird das Volumen des Metalllegierungs- körpers nicht verändert. Das Verfahren ist nicht nur auf ein Flächensegment auf der Oberfläche eines Metalllegierungskörpers anwendbar, sondern kann entlang von verbundenen Flächensegmenten sukzessiv zyklisch und alternierend die beiden Teilflächen der jeweiligen einzelnen Flächensegmente komprimieren und de- komprimieren. Alternativ können entlang von verbundenen Flächensegmenten die beiden Teilflächen der einzelnen Flächensegmente entlang der Oberfläche des Me- talllegierungskörpers sukzessiv zyklisch und gleichzeitig komprimiert und de- komprimiert werden. Dabei können gleichzeitig mehrere Oberflächen des Metalile- gierungskörpers sukzessiv zyklisch oder gleichzeitig komprimiert und dekomprimiert werden.
Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchfüh- rung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur schaffen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 13. Erfindungsge- mäß ist danach vorgesehen, dass auf einem definierten Flächensegment auf der Oberfläche des Metalllegierungskörpers mit grober Korngröße ein druckausübendes Element eine von zwei Teilfläche des Flächensegments während eines ersten Presszyklusses belastet, und anschließend ein anderes, zum ersten passgenau korrespondierendes, druckausübender Element mit einer der Restfläche entspre- chenden zweiten Teilfläche auf das Flächensegment aufgebracht und in einem an- schließenden zweiten Pressenzyklus belastet wird und eine Heizquelle den Metall- legierungskörper permanent auf eine vorgegebene Prozesstemperatur in einem Bereich bis 600°C temperiert. Die Heizquelle ist jedoch nur notwendig, falls die Wärmeverlustraten während des Verfahrensablaufes zu hoch sind oder der Ferti- gungsprozess zu lange dauert und damit entsprechende Temperaturverluste des Metalilegierungskörpers einhergehen. Das Flächensegment wird durch den Innen- durchmesser eines druckbeständigen Containers parallel zur Oberfläche des Metall- legierungskörpers definiert.
Dabei füllen die druckausübenden Elemente korrespondierend und passgenau den Innendurchmesser des Containers aus. Der Querschnitt des Metalllegierungskör- pers entspricht dem Querschnitt des Containers, wobei die Abmessungen des Con- tainers durch die Dimensionen des Metalllegierungskörpers und der Bearbeitungs- anlage, z. B. der Walzstrasse, bestimmt sind. Der Druck im Innenraum des Contai- ners wird durch Stempelelemente auf jeweils eine von zwei Teilflächen übertragen, wobei die Stempelelemente durch mit einer äußeren Presse verbundenen Kraft- überträger angesteuert werden. Weiterhin wird der Innenraum und das Flächen- segment während des Verfahrens auf eine Prozesstemperatur gehalten, um even- tuell auftretende Temperaturverluste auszugleichen. Ein Kraftüberträger steuert bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Stempelelemente alternierend und zyklisch an und überträgt den Druck der Presse auf die jeweilige Teilflächen der Flächen- segmente. Nach Belastung des ersten Stempelelements mittels der Presse und des Kraftüberträgers wird der Kraftüberträger, wie z. B. eine Stahlplatte, durch die Presse entlastet und anschließend wird der Druck ausschließlich auf das zweite Stempel- element über den durch die Presse wiederbelastenden Kraftüberträger übertragen.
Der Kraftüberträger bzw. die Stahlplatte werden dabei auf die Prozesstemperatur geheizt. Ebenfalls ist die Stempelfläche des ersten Stempelelements insbesondere als Ringfläche oder als Halbkreisfläche innerhalb des Innendruchmessers des Con- tainers ausgebildet. Die Stempelfläche des zweiten Stempelelements ist passgenau und korrespondierend zur ersten Stempelfläche des ersten Stempelelements inner- halb des Innendruchmessers des Containers ausgebildet. Die Höhe des ersten Stempelelements und die Höhe des Metalllegierungskörpers zusammengenommen besitzen eine größere Höhenerstreckung als der Container. Durch die Variation der jeweiligen Oberhöhe des Stempelelements und des Metalllegierungskörpers gegen- über dem Container, wird die Deformation in der Oberfläche des Metalllegierungs- körpers festgelegt. Eine zu große Überhöhe relativ zum Container führt jedoch zu Instabilitäten während der Presszyklen und kann zu einem Bruch der Stempelele- mente führen. Weiterhin werden die Stempelelemente während eines Presszyklus- ses so weit in den Metalllegierungskörper gepresst, dass die Oberkante der Stem- pefelemente mit der Oberkante des Containers übereinstimmen. Eine fortlaufende Anordnung von nebeneinander angeordneten Containern entlang der Oberfläche eines Metalilegierungskörpers definiert eine Vielzahl von Flächensegmenten entlang einer Ausrichtung der Oberfläche eines Metalilegierungskörpers. In den so definier- ten Flächensegmenten dient eine periodische Anordnung von ersten und zweiten Stempelelementen zur zyklischen, ortsabhängig alternierenden Pressung eines länglichen Metalllegierungskörpers und beeinflusst damit die Korngrößen von be- stimmten Ausrichtungen entlang der Oberfläche des Metatttegierungskörpers. Dabei sind die jeweiligen ersten und zweiten Stempelelemente eines Flächensegments einzeln ansteuerbar. Weiterhin wird in jedem Flächensegment im ersten Presszyk- lus das ersten Stempelelement durch einen Kraftüberträger angesteuert und in ei- nem zwei Pressungszyklus das zweite Stempelelement angesteuert und anschlie- ßend wird in einem hierzu nächstgelegenen Flächensegment ein neuer Presszyklus initiiert. Hierdurch wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung entlang einer Aus- richtung der Oberfläche die Korngröße der Metallegierung verändert. Nach Ab- schluss aller Prozesszyklen wird der Metalllegierungskörper aus dem Container entfernt.
Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass nur entlang ausgewählter Ausrich- tung vertikal zur Längsachse des Metalllegierungskörpers die Korngrößen reduziert werden, wobei die Ausrichtungen der reduzierten Korngrößen entlang der Oberflä- che des Metalllegierungskörpers bezüglich der Längsachse des Metalllegierungs- körpers symmetrisch sind und insbesondere eine Sandwich-Struktur bezüglich der behandelten und unbehandelten Oberflächen des Metalilegierungskörpers bilden.
Das Verfahren der vorliegenden Anmeldung schließt die Bearbeitung extrudierter Metallegierungen wie in der DE 195 08 718 A1 aus. Es dient der Bearbeitung von nicht-extrudierten Metallegierungen mit einer Korngröße von mehr als 200 um durch eine zyklische, ortsabhängig alternierende Belastung, welche zu einer lokalen Kompression und Dekompression auf einzelnen definierten Flächensegmenten führt. Durch diese Merkmale unterscheidet sich das Verfahren der Anmeldung we- sentlich von dem Verfahren der DE 195 08 718 A1. Beim"Kneten"einer Rohlegie- rung durch die Anwendung einer Kraft aus verschiedenen Richtungen, ist eine zykli- sche, ortsabhängige Belastung der Metallegierung, welche zu einer lokalen Kom- pression sowie Dekompression führt, ausgeschlossen. Dies insbesondere auf defi- nierten Flachensegmenten, da bei dem Verfahren der DE 195 08 718 A1 die Kraft auf die Fläche der Metallegierung übertragen wird, die sich gerade eher zufällig vor dem Kraftüberträger befindet. Das Verfahren der DE 195 08 718 A1 dient der Durchmischung der Komponenten der Rohlegierung, welches zur Eliminierung der Grenzflächen sowie der gleichmäßigen Verteilung von beispielsweise Siliziumparti- keln führt. Dahingegen ist das Verfahren der vorliegenden Anmeldung darauf aus- gerichtet, auf einem definierten Flächensegment auf der Oberfläche des Metalllegie- rungskörpers geringere Korngrößen zu erreichen.
Durch das Verfahren der hier vorliegenden Anmeldung kann Feinkörnigkeit aus- schließlich an den Oberflächen an definierten Segmenten des Metalilegierungskör- pers erreicht werden. Da die Bearbeitung von Ober-und Unterseite einer Metalle- gierung ausreicht, um die Materialeigenschaften der Legierung z. B. beim Walzen hinsichtlich Duktilität zu verbessern, bietet das erfindungsgemäße Verfahren Vortei- le gegenüber dem Stand der Technik.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den übrigen Unteransprüchen beschrieben ; die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und der nachfolgenden Figu- ren näher beschrieben ; es zeigt : Figur la schematische Queransicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem bezüglich der Mittelachse symmetrischen ersten Stempelelement ; Figur 1b schematische Längsansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung entlang einer periodischen Anordnung der gesamten Oberfläche mit bezüglich der Mit- telachse symmetrischen ersten Stempelelementen ; Figur 2a schematische Queransicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem bezüglich der Mittelachse a- symmetrischen ersten Stempelelement ; Figur 2b schematische Längsansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung entlang einer periodischen Anordnung der gesamten Oberfläche mit bezüglich der Mit- telachse asymmetrischen ersten Stempelelementen ; Figur 3 schematische Queransicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem bezüglich der Mittelachse a- symmetrischen ersten Stempelelement und einem rückstellenden Federelement während des zweiten Presszyklusses ; Figur 4 Aufnahme der Mikrostruktur einer Metalllegierung (AZ31) vor und nach der lokalisierten Bearbeitung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren ; Figur 5 Exemplarische Abmessungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ; Figur 6 schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Er- zeugnisses.
Fig. 1a zeigt eine schematische Darstellung der Queransicht der erfindungsgemä- ßen Vorrichtung während dreier unterschiedlicher Prozessabschnitte. Während des ersten Prozesszyklussees (linke Darstellung) wird der Metalllegierungskörper 10 innerhalb eines Containers 11 durch ein erstes Stempelelement 12 komprimiert.
Dabei ist dieser schematischen Darstellung nur der Querschnitt des Metalllegie- rungskörpers 10 sichtbar. Die nach oben ausgerichtete Oberfläche des Metalllegie- rungskörpers 10 entspricht dabei einem definierten Flächensegment. Das ersten Stempelelement 12 komprimiert nur einen bezüglich der Form des Flächenseg- ments symmetrischen Teil. Nach vollständiger Pressung des ersten Stempelele- ments 12 in den Metalilegierungskörper 10 wird in einem zweiten Prozessabschnitt (mittlere Darstellung) das zweite Stempelelement 13 in den verbleibenden Zwi- schenraum des Flächensegments eingefügt und in den Metalllegierungskörper 10 hineingepresst. Nach Abschluss diese zweiten Presszyklusses (rechte Darstellung) ist aufgrund volumentrische Rückstellkräfte das im zweiten Prozesszyklus unbelas- tete erste Stempelelement 12 teilweise aus dem Container 11 herausgedrückt wor- den und der Metalilegierungskörper 10 hat seine Ausgangsvolumenform angenom- men. Während des gesamten Prozessen wird der Metalliegierungskörper 10 durch eine Heizung (nicht dargestellt) auf eine vorgegebene Prozesstemperatur temperiert oder der Metalilegierungskörper 10 besitzt selbst die erForderliche Prozesstempera- tur aufgrund einer Vorheizung (nicht dargestellt).
Die Fig. 1b zeigt eine schematische Längsansicht der erfindungsgemäßen Vorrich- tung in zwei unterschiedlichen Prozessstadien. Innerhalb eines durch das erste Stempelelement 12 definierten Flächensegments A entlang der Oberfläche des Me- talllegierungskörpers 10 wird das erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt, in dem in einem ersten Prozesszyklus das erste Stempelelement 12 in den Metalle- gierungskörper 10 gepresst und in einem zweiten Presszyklus das zweite Stempel- element 13 ebenfalls in den Metalllegierungskörper 10 gepresst wird und das erste Stempelelement 12 unbelastet zurückrelaxiert (linke Darstellung). Anschließend wird das erfindungsgemäße Verfahren auf das folgende Flächensegment B und auf die anschließenden Flächensegmente entlang der Oberfläche angewendet (rechte Dar- stellung).
In der Fig. 2a ist eine schematische Darstellung der Queransicht der erfindungsge- mäßen Vorrichtung während dreier unterschiedlicher Prozessabschnitte zu sehen.
Das Flächensegment der Oberfläche des Metalllegierungskörpers wird hierbei a- symmetrisch bezüglich der Mittelachse des Containers 11 belastet. Während des ersten Prozesszyklussees (linke Darstellung) wird der Metalllegierungskörper 10 innerhalb eines Containers 11 durch ein erstes asymmetrisches Stempelelement 12 komprimiert. Dabei ist in dieser schematischen Darstellung nur der Querschnitt des Metalllegierungskörpers 10 sichtbar. Das ersten Stempelelement 12 komprimiert nur einen asymmetrischen Teil des Flächensegments. Nach vollständiger Pressung des ersten Stempelelements 12 in den Metalllegierungskörper 10 wird in einem zweiten Prozessabschnitt (mittlere Darstellung) das zweite Stempelelement 13 in den verbleibenden Zwischenraum des Flächensegments eingefügt und in den Metalle- gierungskörper 10 hineingepresst. Nach Abschluss diese zweiten Presszyklusses (rechte Darstellung) ist aufgrund volumentrische Rückstellkräfte das im zweiten Pro- zesszyklus unbelastete erste Stempelelement 12 teilweise aus dem Container 11 herausgedrückt worden und der Metalllegierungskörper 10 hat seine Ausgangsvo- lumenform angenommen. Während des gesamten Prozessen wird der Metalllegie- rungskörper 10 durch eine Heizung (nicht dargestellt) auf eine vorgegebene Pro- zesstemperatur temperiert oder der Metaillegierungskörper 10 besitzt selbst die er- forderliche Prozesstemperatur aufgrund einer Vorheizung (nicht dargestellt).
Die Fig. 2b zeigt eine schematische Längsansicht der erfindungsgemäßen Vorrich- tung in zwei unterschiedlichen Prozessstadien für eine asymmetrische Variante der erfinderischen Anordnung in Fig. 1 b. Innerhalb eines definierten Flächensegments A wird das erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt, in dem in einem ersten Pro- zesszyklus das erste Stempelelement 12 in den Metalllegierungskörper 10 asym- metrisch gepresst und in einem zweiten Presszyklus das zweite Stempelelement 13 ebenfalls in den Metalilegierungskörper 10 gepresst wird, wobei im zweiten Press- zyklus das erste Stempelelement 12 unbelastet zurückrelaxiert (linke Darstellung).
Anschließend wird das erfindungsgemäße Verfahren auf das folgende Flächenseg- ment B und auf die anschließenden Flächensegmente entlang der Oberfläche an- gewendet (rechte Darstellung).
Fig. 3 zeigt eine schematische Queransicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem bezüglich der Mittelachse asymmetrischen ersten Stempelelement. In einem ersten Prozesszyklus wird das erste Stempelelement 12 durch einen Kraftüberträger 14, wie z. B. eine Stahlplatte, in den Container 11 gepresst (linke Darstellung). Als korrespondierende Halterung wird der Boden des Containers 11 durch eine Stahl- platte 15 fixiert. Nach Ablauf des erste Presszyklusses wird der Kraftüberträger 14 durch einen asymmetrischen Kraftüberträger 14 ersetzt (mittlere Darstellung). In dem Kraftüberträger 14 befindet sich an der zum ersten Stempelelement 12 korres- pondierenden Position ein rückstellendes Federelement 16, das während des zwei- ten Prozesszyklussees die Relaxation des ersten Stempelelements 12 bei gleichzei- tiger Kompression des zweiten Stempelelements 13 in den Metalllegierungskörpers 10 durch die gewählte Federkonstante steuert (rechte Darstellung). Durch das Fe- derelement 16 wird zu Beginn des zweiten Presszyklusses eine rückartige Bewe- gung der dekomprimierenden ersten Teilfläche vermieden. Diese ruckartige Bewe- gung wird vor allem durch die Haftreibung zwischen der Innenfläche des Containers 11 und des ersten Stempelelements 12 bestimmt.
Die Fig. 4 zeigt eine Aufnahme der Korngrößen innerhalb eines Metalllegierungs- körpers vor und nach der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Als Ausgangskörper dient eine AZ31 Magnesiumlegierung mit einer durchschnittlichen Korngröße von 800, um (Fig. 4A). Nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfah- rens bei einer Prozesstemperatur von 400°C und einer Nachheizperiode nach Ab- schluss der Presszyklen von 30min bei 400°C ist es in der Deformationsregion der Flächensegmente zu einer Verkleinerung der Korngrößen auf durchschnittliche 17 , um gekommen. Die Verkleinerung der Korngrößen ist-gemessen von der Außen- seite des Magnesiumlegierungskörpers-bis in eine Deformationstiefe von 9mm messbar.
Fig. 5 zeigt zwei unterschiedliche Konfigurationen der erfindungsgemäßen Vorrich- tung. In der Konfiguration Fig. 5A wird in einem kreisförmigen Container 11 mit ei- nem Innendruchmesser von 30mm ein kreisförmiger Magnesiumlegierungskörper 10 eingeführt. Dieser Magnesiumlegierungskörper 10 wird durch ein erstes ringför- miges Stempelelement 12 belastet, wobei der Innendruchmesser des ersten Stem- pelelements 12 mit 15mm dem Aussendruchmesser des zweiten Stempelelements 13 entspricht. Die Stempelelemente 12,13 sind über eine Stahlplatte 14 als Kraft- überträger mit einer äußeren Presse (nicht dargestellt) verbunden. In der Konfigura- tion Fig. 5B sind beide Stempelelemente 12,13 halbkreisförmig ausgebildet, wobei der jeweilige Außendurchmesser der Stempelelemente 12,13 dem Innendruckmes- ser des Containers 10 entspricht. Weiterhin ist in dieser Konfiguration der Kraftüber- träger 14 mit einem Feder-rückstellenden Element 16 versehen. Durch das Feder- rückstellende Element 16 wird zu Beginn des zweiten Presszyklusses eine rückarti- ge Bewegung der dekomprimierenden ersten Teilfläche vermieden.
Nur in diesen beiden Beispielen sind alle Abmessungen des Magnesiumlegierungs- körpers 10 geringer als die des Containers 11. Auch die absoluten Abmessungen der gezeigten Konfigurationen sind nur als Beispiele im Labormaßstab anzusehen.
In der Fig. 6 ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Erzeugnis- ses abgebildet. Der Metalilegierungskörper 10 ist dadurch gekennzeichnet, dass auf zwei, zueinander symmetrischen Seitenflächen bezüglich der Längsachse des Me- talllegierungskörper 10 eine Verringerung der Korngrößen durch das erfindungsge- mäße Verfahren erreicht wird und durch diese Sandwich-Struktur bezüglich der er- findungsgemäß bearbeiteten und unbearbeiteten Oberflächen die Bruch-und Riss- neigung vor allem an den Rändern des Metalilegierungskörpers 10 bei der Wei- terumformung, insbesondere beim Walzen, des erfindungsgemäßen Erzeugnisses reduziert wird.
Bezugszeichenliste 10 Metalllegierungskörper 11 Container 12 erstes Stempelelement 13 zweites Stempelelement 14 Kraftüberträger 15 Stahlplatte 16 Federelement