Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Profilen aus Magnesiumwerkstoffen.

Es ist bekannt, daß Magnesiutnwerkstoffe aufgrund ihres geringen spezifischen Gewichtes bei gleichzeitig ver¬ hältnismäßig hoher spezifischer Festigkeit an sich idea¬ le Werkstoffe in Bereichen, beispielsweise im Lichtbe¬ reich, sind, in denen es auf diese beiden vorgen. Eigen¬ schaften im wesentlichen ankommt. So ist auch schon in eingeschränkter Form Magnesium im Flugzeugbau und im Fahrzeugbau im Einsatz. Ein wesentlicher Mangel von Ma¬ gnesiumlegierungen, der einer noch intensiveren Anwen¬ dung in diesen technischen Bereichen entgegensteht, ist der, daß Magnesiumwerkstoffe unzureichende Korrosionsei¬ genschaften haben, insbesondere auch im Bereich von Knetlegierungen. Auch die unzureichenden Fügeeigenschaf¬ ten stehen einem weiteren Einsatz u.a. auch in den vor- gen. Bereichen wie dem Flugzeugbau und dem Fahrzeugbau entgegen.

Da aber Magnesiumwerkstoffe nach wie vor begehrte Werk¬ stoffe sind, sind bis zum heutigen Tage sehr viele un¬ terschiedliche Wege erforscht und beschritten wurden, um Lösungsmöglichkeiten zu suchen, die die unzureichenden Korrosionseigenschaften bei Magnesiumwerkstoffen über¬ winden. So wurden bspw. mit herkömmlichen Technologien Beschichtungen auf den Magnesiumwerkstoff aufgebracht und es wurde versucht, bspw. durch Eingießen von Magne¬ sium in eine Aluminiumhülle, d.h. mittels gießtechni¬ scher Verfahren, endfertige Werkstücke und Halbzeuge herzustellen. Darüber hinaus wurden speziell für die An¬ wendung auf Magnesiumwerkstoffen entsprechende Fügever¬ fahren entwickelt.

Alle bisherigen Verfahren zeichneten sich bis jetzt durch eine sehr aufwendige Verfahrensgestaltung aus und die Verfahren lieferten dennoch unzureichende Ergebnisse im Hinblick auf die angestrebten Eigenschaften im Hin¬ blick auf eine gute Korrosionsbeständigkeit und eine gu¬ te Fügbarkeit des Magnesiumwerkstoffs. Darüber hinaus sind die bekannten Verfahrensansätze zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit und der besseren Fügbarkeit von Magnesiumwerkstoffen insgesamt sehr aufwendig, so daß sie über den Versuchsmaßstab bisher nicht wesentlichen hinausgekommen sind und keinen Einlaß in die angestrebte industrielle Fertigung bekommen haben.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem Magnesiumwerkstoffe auf einfache Weise sehr korrosionsbeständig ausgestaltet werden können, die auf einfache Weise bezüglich ihrer Fügeeigenschaften verbessert werden können, und ein Ver- fahren bereitzustellen, das einfach und im industriellen Maßstab kostengünstig durchgeführt werden kann und Pro¬ dukte liefern kann, die am Ende des Verfahrens endfertig bereitgestellt werden können, wobei das Verfahren ko¬ stengünstig durchgeführt werden kann und somit kein Hin¬ dernis mehr darstellt im Hinblick auf einen industriel¬ len Einsatz, der mittels des Verfahrens hergestellter Produkte.

Gelöst wird die Aufgabe gem. der Erfindung dadurch, daß ein Profi1volumen aus Magnesiumwerkstoff im wesentlichen vollständig mit einer Schicht aus Aluminiumwerkstoff um- • hüllt ist.

Erfindungsgemäß wird somit ein Hybridwerkstoff geschaf¬ fen, der außen mit einem sehr korrosionsbeständigen Werkstoff umhüllt ist, in seinem Inneren aber den eine hohe Festigkeit und ein . geringes spezifisches Gewicht aufweisenden Magnesiumwerkstoff aufweist.

Die Umhüllung des Magnesiumwerkstoffs durch den Alumini¬ umwerkstoff schafft im oberflächennahen Bereich ihrer beiden Berührungsflächen eine KaItlegierungsphase, die für einen hochfesten Verbund der beiden Werkstoffe Alu¬ minium und Magnesium sorgt. Auch bei nachfolgenden Kalt¬ oder Warmverformungsvorgängen des erfindungsgemäß herge¬ stellten Verbundwerkstoffs ist die Verbindung zwischen dem Aluminium und dem Magnesium derart fest und bestän¬ dig, daß kein, nicht einmal ein minimales Lösen der bei¬ den Werkstoffe voneinander auftritt.

Es sei darauf hingewiesen, daß dann, wenn vorangehend von Magnesiumwerkstoff die Rede war, damit auch alle einschlägigen Magnesiumlegierungswerkstoffe gemeint sind und wenn von Aluminiumwerkstoff die Rede war, damit auch alle einschlägigen Aluminiumlegierungswerkstoffe umfaßt sind. Dieses gilt auch für die nachfolgenden Ausführun¬ gen, in denen der Einfachheit wegen lediglich von Magne¬ siumwerkstoffen und Aluminiumwerkstoffen die Rede ist.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt im wesentlichen darin, daß zum einen schon eine hochfeste Verbindung zwischen dem Magnesiumwerkstoff und dem Alu¬ miniumwerkstoff geschaffen wird und andererseits der Aluminiumwerkstoff die korrosionserhöhende Komponente des Gesamtwerkstoffs ist, während der Magnesiumwerkstoff die festigkeitsgewährende Komponente bei gleichzeitig geringem spezifischen Gewicht des Gesamtverbundwerk¬ stoffs ist.

Aufgrund der äußeren Beschichtung des Magnesiumwerk¬ stoffs mit Aluminium werden dem Gesamtwerkstoff in bezug auf die mechanische Bearbeitbarkeit und Fügbarkeit die vorteilhaften Eigenschaften des Aluminiums für diese Zwecke verliehen.

Vorteilhafterweise wird das Verfahren derart weiterge¬ bildet, indem ein Volumen aus Magnesiumwerkstoff und ein Volumen aus Aluminiumwerkstoff zur Ausbildung des Pro¬ files gemeinsam durch eine Matrize, die die Form des ge¬ wünschten Profiles bestimmt, gepreßt wird. Gem. dieser vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt eine Ko-Extrusion des erfindungsgemäß herzustellenden Pro¬ files aus Magnesium und Aluminium. Es wird also mittels eines Preßverfahrens eine Aluminiumschicht auf das Ma¬ gnesium aufgebracht, wobei durch den Preßprozeß das Alu¬ minium mit dem Magnesiumkern' fest verbunden ist. Die Ausbildung dieser festen Verbindung bei einer derartigen Verfahrensführung erfolgt aufgrund des Druckes, mit dem die beiden Volumina gemeinsam und gleichzeitig durch die Matrize gepreßt werden.

Grundsätzlich sind zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens alle konventionellen, im Stand der Technik bekannten Preß- bzw. Strangpreßverfahren geeignet, wie sie bspw. für die Herstellung von Aluminiumprofilen im Stand der Technik verwendet werden.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, das Pressen mittels eines hydrostatischen Preßverfahrens durchzuführen. Bei diesem Preßverfahren wird der Druck auf das Volumen aus Magnesiumwerkstoff und das Volumen aus Aluminiumwerk¬ stoff, das sich in einem Hohlraum eines Rezipienten ei¬ ner Preßvorrichtung befindet, nicht direkt auf das Volu¬ men aus Aluminiumwerkstoff und Magnesiumwerkstoff aufge¬ bracht, sondern erfolgt über ein flüssiges Druckmedium und somit ein Druck von allen Seiten gleichermaßen auf das Volumen aus Magnesiumwerkstoff und Aluminiumwerk¬ stoff zum Durchpressen durch die Matrize der Preßvor¬ richtung wirkt.

Gem. einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Ver¬ fahrens wird vor Ausführung des Preßvorganges ein block¬ artiges Werkstoffelement hergestellt, wobei der Kern des Werkstoffelementes aus Magnesiumwerkstoff besteht, die Kernhülle aus Aluminiumwerkstoff, und wobei das Werk¬ stoffelement nachfolgend in eine Preßvorrichtung einge¬ bracht und anschließend durch die Matrize gepreßt wird. Dabei wird die Dicke der Aluminiumhülle des Werkstoffe¬ lements und die Menge des Magnesiumwerkstoffs im Werk¬ stoffelement in Abhängigkeit des beim fertigen Pre߬ bzw. Strangpreßprozeß erzeugten Profiles festgelegt, d.h. die Dicke der Hülle aus Aluminium des fertigen Ge¬ samtprofils kann schon im Wege der Herstellung des zu pressenden Werkstoffelementes und in Abhängigkeit der sonstigen Preßparameter in der Preßvorrichtung festge¬ legt werden. Eine nachträgliche Bearbeitung, jedenfalls im Hinblick auf die Dicke der Umhüllung aus Aluminium des fertigen Profils ist normalerweise nicht erforder¬ lich.

Wie vorangehend schon angedeutet, sind auch neben der geeigneten Dimensionierung des Werkstoffelements weitere Parameter bei der Ausführung des Preßvorganges zu beach¬ ten, nämlich der Druck, die Temperatur und auch die Di¬ mensionierung des Hohlraums im Rezipienten der Preßvor¬ richtung, in der das Werkstoffelement zur Ausführung des Preßvorganges eingebracht wird. Es hat sich als vorteil¬ haft erwiesen, dabei die Temperatur des Volumens des Ma¬ gnesiumwerkstoffs und des1 Aluminiumwerkstoffs, vereinigt im Werkstoffelement, beim Ausführen des Preßvorganges im Bereich von 300° C zu halten. Es sei aber darauf hinge¬ wiesen, daß in Abhängigkeit des gewählten Magnesiumwerk¬ stoffs und in Abhängigkeit des gewählten Aluminiumwerk¬ stoffs einschl. seiner jeweils gewählten Legierungen und/oder auch in Abhängigkeit der Form des Werkstoffele¬ mentes als solchem und in Abhängigkeit der Dicke der äu¬ ßeren Aluminiumschicht und der Menge des im Werkstoffe¬ lement eingeschlossenen Magnesiumwerkstoffs sowie der Druckverhältnisse bei der Ausführung des Preßvorganges auch andere geeignete Temperaturen eingestellt werden können, bspw. im Bereich von 250° C bis 350° C, um bei der Ausführung des Preßvorganges die jeweils geeignetste Temperatur zur Schaffung hochpräziser Profile zu gewähr¬ leisten. Der voranstehend beispielhaft angegebene Tempe¬ raturbereich soll keine Einschränkung der erfindungsge¬ mäßen Verfahrensführung darauf bedeuten. Vielmehr ist es erfindungsgemäß auch möglich, diese bei unterhalb von 250° C liegenden Temperaturen und auch bis höheren Tem¬ peraturen als 350° C zu betreiben bzw. zu pressen.

Grundsätzlich können alle beliebigen geeigneten Pre߬ bzw, strangpreßgeeigneten Profilformen gem. dem erfin- dungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, d.h. im Quer¬ schnitt an sich beliebige geeignete Profile, vom einfa¬ chen stangenförmigen Rundprofil bis zu komplexen Profi1- formen, die dann schon endfertige Produkte bilden können, d.h. keiner Nachbehandlung mehr bedürfen.

Diese Profile können vorzugsweise aber auch Halbzeuge sein, die im Nachherein noch beliebigen geeigneten Füge¬ bzw. Verformungsverfahren i unterworfen werden können. Aufgrund der festen .Verbindung durch den Preßvorgang zwischen der Hülle aus Aluminium und dem Kern aus Magne¬ sium im Profil behalten bei-dfe Werkstoffe ihre feste Ver¬ bindung1 auch beim anschließenden Verformen des Profils uneingeschränkt bei.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nachfol¬ genden schematischen Zeichnungen unter Hinweis auf diese im einzelnen beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 beispielhaft den schematischen Aufbau einer Preßeinrichtung, mit der ein hydrostatisches Strangpreßverfahren; ausführbar ist, wie es be¬ vorzugt beinv erfinduhgsgemäßen Verfahren ver¬ wendet wird,

Fig. 2 in einem schematischen Schnitt ein aus einem Kern aus Magnesiumwerkstoff bestehendes Werk¬ stoffelement, das außen wenigstens teilweise mit einem Aluminiumwerkstoff umhüllt ist, wie es in einem Rezipienten einer Preßeinrichtung gem. Fig. 1 in den dortigen Hohlraum zur Aus¬ führung des Preßvorganges einsetzbar ist, in gegenüber der Darstellung von Fig. 1 sehr ver¬ größertem Maßstab,

Fig. 3 ein stangenförmiges Rundprofil, das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist, in der Seitenansicht im Ausschnitt und in der Draufsicht auf ein Ende des Profils,

Fig. 4 eine Darstellung einer Schliffprobe des Endes des stangenförmigen Rundprofils,

Fig. 5 eine Darstellung einer Schliffprobe des Endes eines anderen strangförmigen Rundprofils,

Fig. 6 in vergrößerter- Darstellung einen Ausschnitt aus der Darstellung der Schliffprobe gem. Fig. 5, den Verbindungsbereich zwischen äußerem Alu¬ miniumwerkstoff und innerem Magnesiumwerkstoff zeigend, und

Fig. 7 einen gegenüber der Darstellung von Fig. 6 nochmals vergrößerten Ausschnitt, die Schicht¬ grenze zwischen Magnesiumwerkstoff und Alumini¬ umwerkstoff zeigend.

Bevor auf das eigentliche Verfahren zur Herstellung von Profilen aus Magnesiumwerkstoff im einzelnen eingegangen wird, wird zunächst auf die Fig. 1 Bezug genommen, in der eine Preß- bzw. Strangpreßvorrichtung 10 schematisch dargestellt ist, mit der das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Profile ausgeführt werden kann. Eine Preßvorrichtung 10, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann, ist der Fachwelt grundsätzlich bekannt, so daß an dieser Stelle lediglich zum erleichterten Verständnis der Erfindung die Preßvor¬ richtung 10 hier noch einmal kurz skizziert wird.

Die in Fig. 1 dargestellte Preßvorrichtung 10 umfaßt ei¬ nen Rezipienten 12, in dem ein Werkstoffvolumen bzw. ein Profi1volumen aus Magnesiumwerkstoff 150 und Aluminium- werkstoff 151, das zusammen ein Werkstoffelement 21 bil¬ det, vgl. auch Fig. 2, eingebracht wird. Den Rezipienten 12 abschließend, in der Fig. 1 rechts dargestellt, ist eine Matrize vorgesehen, die entsprechend dem zu erhal¬ ten gewünschten Querschnitt des Profiles 16 geformt ist. Der Matrize 14 im wesentlichen gegenüber, in Fig. 1 links dargestellt, ist eine Preßscheibe in Form einer Dichtung 17 vorgesehen. Die Dichtung 17 sorgt dafür, daß das im Rezipienten 12 angeordnete Werkstoffvolumen bzw. Profilvolumen 15, auf das über eine Druckflüssigkeit 18, die das Werkstoffvolumen 15 im Rezipienten 12 umgibt, ausgeübt wird, nicht aus der Preßvorrichtung 10 austre¬ ten kann. Zudem ist auch die Matrize 14 gegenüber dem Rezipienten 12 mit einer Dichtung 20 versehen. Wenn nun ein Stempel 11 in den Rezipienten 12 hineinbewegt wird, baut sich im Rezipienten 12 über die Druckflüssigkeit 18 ein allseits auf das Werkstoffvolumen 15 auswirkender Druck auf. Der Druck baut sich somit von allen Seiten gleichermaßen auf das Werkstoffelement 21 auf, das in¬ folgedessen als Strang bzw. Profil 16 durch die Matrize 14 infolge des durch den Stempel 11 ausgeübten Druckes die Preßvorrichtung 10 verläßt.

Mittels der Preßvorrichtung 10 kann ein sog. "hypostati¬ sches" Preß- bzw. Strangpreßverfahren ausgeführt werden.

In Fig. 2 ist im Längsschnitt ein Werkstoffelement 21 in sehr viel vergrößerter Darstellung gegenüber der Dar- Stellung von Fig. 1 dargestellt, das in den Hohlraum des Rezipienten 12 der Preßvorrichtung 10 gem. Fig. 1, wie dargestellt, eingesetzt ist. Das Werkstoffelement 21 kann um eine Längsachse 212 rotationssymmetrisch ent¬ sprechend der Ausbildung des Hohlraums im Rezipienten 12 ausgebildet sein, es sei aber darauf hingewiesen, daß weder das Werkstoffelement 21 noch der Hohlraum des Re¬ zipienten 12 rotationssymmetrisch ausgebildet sein müs¬ sen. Das Werkstoffelement 21, das blockartig ausgebildet ist, besteht aus einem Kern aus Magnesiumwerkstoff 150 und aus einer Kernhülle 211 aus Aluminiumwerkstoff 151.

Fertigungstechnisch kann ein derartiges Werkstoffelement 21 derart hergestellt werden, daß bspw. mittels spanab¬ hebender Bearbeitung ein Kern 210 aus Magnesiumwerkstoff 150 und die entsprechende Kernhülle 211 aus Aluminium¬ werkstoff hergestellt wird. Der Kern 211 wird in ein entsprechendes, in der Kernhülle 211 ausgebildetes Loch eingelassen. Kernhülle 211 und Kern 210 bilden eine Pas¬ sung, ggf. eine Preßpassung. Sowohl die Kernhülle 211 als auch der Kern 210-könneη am zur Matrize 14 der Pre߬ vorrichtung 10 gerichteten Ende, in den Darstellungen von Fig. 1 und 2 rechts, ' wenigstens teilweise konisch ausgebildet sein, wodurch der nachfolgende Preßvorgang erleichtert wird.

Bei einem durchgeführten Versuch des erfindungsgemäßen Verfahrens war der Werkstoffblock 21, der bspw. einen Außeήdurchmesser von 80 mm, einen Innendurchmesser von 60 mm und eine Gesamtlänge von 310 mm aufgewiesen hatte, zur Ausführung des Preßvorganges auf 300° C erwärmt wor¬ den, d.h. in der Preßvorrichtung 10, und bspw. in ein strangförmiges Profil 16, vgl. die Fig. 3 bis 7, mit ei¬ nem Außendurchmesser von 25 mm gepreßt worden. Dieses hatte einem PreßverhäVtnis von ca. 1 : 10 entsprochen. Der Aluminiumwerkstoff 151 hatte dabei einer Aluminium¬ legierung mit der Bezeichnung AA 6.280 entsprochen, die als schweißbare und eloxierbare Aluminiumlegierung be¬ kannt ist. Die sich nach dem Preßvorgang ergebende Dicke der Schicht bzw. Hülle 152 aus Aluminiumwerkstoff 151 hatte dabei 3,25 mm betragen. Der Kern des Profiles 10 hatte aus einer schlecht schweißbaren, jedoch hochfe¬ sten Magnesiumlegierung mit der Bezeichnung ZK 30 be¬ standen.

Insbesondere aus Fig. 4 und 5 und in größerem Detail aus Fig. 6 und 7, ist der Grenzbereich zwischen der äußeren Hülle 211 aus Aluminiumwerkstoff 151 und dem Kern 210 aus Magnesiumwerkstoff 150 ersichtlich. Durch den Pre߬ vorgang in der Preßvorrichtung 10 wird im Grenzbereich zwischen Kern 210 und Kernhülle 211 des Werkstoffele¬ ments 21 eine intermetallische Phase beider Werkstoffe (Aluminiumwerkstoff, Magnesiumwerkstoff) gebildet. Diese Verbindung ist somit hochfest und bleibt auch im Zuge einer weiteren mechanischen Bearbeitung eines erfin¬ dungsgemäß hergestellten Profiles 16 erhalten. Bezugs zei ch en i i s t e

10 Preßvorrichtung 11 Stempel 12 Rezipient 13 Preßscheibe 14 Matrize 15 Werkstoffvolumen / Profilvolumen 150 Magnesiumwerkstoff 151 Aluminiumwerkstoff 16 Profil / Strang 17 Dichtung 18 DruckflUssigkeit 19 Verschlußstück 20 Dichtung 21 Werkstoffelement 210 Kern 211 Kernhülle / Schicht 212 Längsachse