Verfahren zur Formgebung und Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von pulvermetallurgisch hergestellten Rohlingen aus einer Legierung mit erhöhter Warmfestigkeit durch Strangpressen

Abstract

 Verfahren zur Formgebung und Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von pulvermetallurgisch hergestellten Rohlingen aus einer Legierung mit erhöhter Warmfestigkeit durch Strang­pressen, wobei die Verformung sukzessive in mindestens 2 voneinander verschiedenen Temperaturbereichen oder in zwei Phasen durchgeführt wird, indem der Rohling (2) zunächst bei einer Temperatur T₁ in seinem Querschnitt reduziert wird und dann entweder bei einer tieferen Temperatur T₂ nochmals reduziert oder bei einer Temperatur T₃ unter Gegendruck derart verformt wird, dass sein Querschnitt wieder erweitert wird. T₃ kann kleiner oder gleich T₁ sein.

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Weiterverarbeitung von pulvermetallurgisch hergestellten Legierungen mit erhöhter Warmfestigkeit. Verringerung der durch einseitige Verformung verursachten Anisotropie der Eigenschaften von Werkstücken.

[0002] Die Erfindung bezieht sich auf die Weiterentwicklung von Formgebungsverfahren zur Erzielung optimaler Gefügeausbildun­gen bei aus Pulvern erzeugten Hochtemperaturlegierungen mit Ausscheidungs- und/oder Dispersionshärtung.

[0003] Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zur Formgebung und Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von pulvermetal­lurgisch hergestellten Rohlingen aus einer Legierung mit erhöhter Warmfestigkeit durch Heiss-Strangpressen.

STAND DER TECHNIK

[0004] Bei der Fertigung von Bauteilen aus pulvermetallurgisch herge­stellten Legierungen wird das Pulver in der Regel kalt vorver­dichtet oder lose in eine Metallkapsel eingefüllt und dann dieser Rohling in irgend einer Weise durch Anwendung von Druck weiter verdichtet und gleichzeitig oder hinterher einem Formgebungsprozess unterworfen. Dabei spielt das Strangpressen, insbesondere das Heiss-Strangpressen eine wichtige Rolle im ganzen Fertigungsablauf. Anschliessend wird das Werkstück durch Pressen, Schmieden, mechanische Bearbeitung etc. in die endgültige Form übergeführt.

[0005] Es sind zahlreiche Strangpresstechniken bekannt:
- Verwendung von losem Pulver oder von kalt-vorgepressten Presskörpern.
- Ohne oder mit Umhüllung (Metallkapsel), wobei letztere zum Teil als "Schmiermittel" wirkt oder nur als Behälter zur Entgasung mittels Vakuum dient.
- Direktes oder indirektes Strangpressen, wobei letzteres bei herabgesetztem Druck durchgeführt wird.
- Gewöhnliches Pressen oder Pressen unter hydrostatischem Druck.

[0006] Gepresst werden unter anderem folgende Pulver:
- Aluminiumlegierungen, welche eine grosse Anzahl an aus übersättigter Schmelze durch extrem rasche Abkühlung erhalten gebliebenen intermetallischen Verbindungen in sehr feiner Verteilung enthalten.
- Oxyddispersionsgehärtete Magnesiumlegierungen.
- Dispersionsgehärtete Kupferlegierungen.
- Oxyddispersionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierungen.

[0007] Eine Eigenart des Strangpressens besteht darin, dass das erhaltene Halbzeug anisotrope Eigenschaften hat. Es zeigt in den verschiedenen Richtungen unterschiedliche mechanische Eigenschaften, was daraus hergestellte Werkstücke oft unbrauch­bar macht.

[0008] Zum Stand der Technik wurden folgende Dokumente genannt:
- J.Duszczyk and P.Jongenburger, "The Extrusion of Aluminium and its Alloys from Powders", in Reviews on Powder Metallurgy and Physical Ceramics, Vol. 2, No. 4, 1985, p. 269 - 311.
- T.Sheppard, M.A.Zaidi, "Effect of preheat time-temperature cycles on development of microstructure and properties of extrusions prepared from Al-Fe-Mn rapidly solidified powders", Materials Science and Technology, Jan. 1986, Vol. 2, p. 69 - 78.
- Y.W.Kim, W.M.Griffith, F.H.Froes, "Surface oxides in P/M Aluminium Alloys", J. of Metals, Vol. 32, No. 8, 1985, p. 17 - 33.
- I.G. Palmer, M.P.Thomas, "Production and properties of thermally stable Al-Cr-Zr alloys, Metall. 41, June 1987, p. 600 - 605.

[0009] Das Verarbeiten der oben genannten Werkstoffe führt oft zu schwer zu lösenden Problemen. Das Aufbrechen der die Pulver­partikel umhüllenden Oxydhäute bereitet Schwierigkeiten. Dieses Aufbrechen ist jedoch Bedingung, um eine gute Bindung zwischen den einzelnen Körnern zu gewährleisten. Um dies zu erreichen sind meist extrem hohe Reduktionsverhältnisse und hohe Temperaturen erforderlich. Dies führt wieder zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften, speziell der Verformbarkeit. Die oben definierten Aluminiumlegierungen ergeben mässige Festigkeiten (Bruchfestigkeit bei Zug ca. 400 MPa) und ungenügende Duktilität und Zähigkeit.

[0010] Insbesondere bleibt die Duktilität und Zähigkeit in der quer zur Strangpressrichtung liegenden Ebene weit unter der für praktischen Gebrauch verlangten Werte. Es wurde auch festge­stellt, dass beim kalten hydrostatischen Strangpressen nur ungenügende Duktilität erreicht wurde und gute Festigkeiten nur bei beschränkten Abmessungen und Querschnitten erreicht wurden. Die herkömmlichen Strangpressverfahren eignen sich ausserdem nicht ohne weiteres für die Herstellung von Werk­stücken gewisser gewünschter Abmessungen. Oft sind Querschnitts­grösse und Querschnittsform begrenzt.

[0011] Es besteht daher ein grosses Bedürfnis zur Verbesserung und Weiterentwicklung der Strangpressverfahren für warmfeste Pulver auf der Basis von Al-, Mg-, Cu- und Ni-Legierungen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0012] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Formgebung und Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Duktilität von pulvermetallurgisch hergestell­ten Rohlingen aus einer Legierung mit erhöhter Warmfestigkeit durch Strangpressen anzugeben, welches einfach und wirtschaft­lich ist und sich mit einem Minimalaufwand an Maschinen und Werkzeugen durchführen lässt. Das Erzeugnis soll möglichst isotrope Eigenschaften aufweisen und in seiner Form dem End­erzeugnis möglichst nahe kommen. Das Verfahren soll sich insbesondere für die Massenfertigung von Bauteilen für thermi­sche Maschinen eignen, wobei der Schwerpunkt auf der Verwen­dung von warmfesten Aluminiumlegierungen liegt.

[0013] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im eingangs erwähnten Verfahren die Verformung sukzessive in mindestens zwei von­einander verschiedenen Temperaturbereichen durchgeführt wird, wobei der Werkstoff zunächst durch Heiss-Strangpressen in seinem Querschnitt in einem oberen Temperaturbereich reduziert wird und danach in einem tieferen Temperaturbereich nochmals durch Heiss-Strangpressen verformt wird, wobei sein Quer­schnitt wieder reduziert wird.

[0014] Die Aufgabe wird ferner dadurch gelöst, dass die Verformung in mindestens zwei Phasen durchgeführt wird, wobei der Werk­stoff zunächst durch Heiss-Strangpressen in seinem Querschnitt in einem ersten Temperaturbereich reduziert wird und danach in einem zweiten Temperaturbereich nochmals durch Heiss-Strang­pressen verformt wird, wobei sein Querschnitt wieder erweitert wird, dergestalt, dass er unmittelbar hinter der Matrize zu einer verhältnismässig scharfkantigen Umlenkung und zu einem Fliessen quer zur Strangpressrichtung gezwungen wird.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0015] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.

[0016] Dabei zeigt:

Fig. 1 schematisch den Ablauf einer 1. Variante des Verfahrens mit zweifacher Querschnittsverjüngung des Werkstücks,

Fig. 2 schematisch den Ablauf einer 2. Variante des Verfahrens mit einer Querschnittsverjüngung und einer Querschnitts­erweiterung des Werkstücks,

Fig. 3 schematisch den Ablauf einer 2. Variante des Verfah­rens mit einer Querschnittsverjüngung und einer Quer­schnittserweiterung des Werkstücks in einem Arbeits­gang,

Fig. 4 schematisch den Ablauf einer 3. Variante des Verfahrens mit zweifacher Querschnittsverjüngung und einer Quer­schnittserweiterung des Werkstücks,

Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt durch eine Strang­presse zur Durchführung einer 2. Variante des Verfah­rens in der Stellung unmittelbar nach dem Pressbeginn,

Fig. 6 einen schematischen Längsschnitt durch eine Strang­presse zur Durchführung einer 2. Variante des Ver­fahrens in der Stellung in der 2. Hälfte des Press­vorgangs,

Fig. 7 einen schematischen Längsschnitt durch eine Strang­presse zur Durchführung einer 2. Variante des Verfah­rens in der Stellung am Ende des Pressvorgangs.

[0017] In Fig. 1 ist schematisch der Ablauf einer 1. Variante des Verfahrens mit zweifacher Querschnittsverjüngung des Werkstücks dargestellt. 1 ist ein erster Rezipient einer Strangpresse, in welcher sich ein auf die Temperatur T₁ erhitzter, pulver­metallurgisch hergestellter Rohling (Presskörper) 2 befindet. 3 ist die in diesem ersten Rezipienten 1 herrschende Press­kraft. 4 ist ein zweiter Rezipient einer Strangpresse, 5 das bereits stranggepresste, sich auf der Temperatur T₂ be­findliche Werkstück. 6 ist die Presskraft. 7 stellt das fertige Halbzeug dar. Es herrscht die Bedingung, dass T₂ < T₁.

[0018] Fig. 2 bezieht sich auf den schematischen Ablauf einer 2. Variante des Verfahrens mit einer Querschnittsverjüngung und einer Querschnittserweiterung des Werkstücks. Die linke Seite der Fig. 2 mit Rezipient 1, Rohling 2 und Presskraft 3 entspricht genau der linken Seite der Fig. 1. 4 ist der zweite Rezipient einer Strangpresse zur Erweiterung des Querschnitts des Werkstücks (Presskörper) 5. Das Strangpressen erfolgt unter der Presskraft 6 bei der Temperatur T₂, die gleich oder kleiner als T₁ sein kann. 8 ist ein erweiterter Gegen­presszylinder, in welchem auf das fertige Halbzeug 7 eine Presskraft 9 in entgegengesetzter Richtung ausgeübt wird.

[0019] Fig. 3 stellt den schematischen Ablauf einer 2. Variante des Verfahrens mit einer Querschnittsverjüngung und einer Querschnittserweiterung des Werkstücks in einem Arbeitsgang dar. 10 ist die Querschnittsverengung in Form einer Matrize zwischen dem Rezipienten 1 und dem erweiterten Gegenpresszylin­ der 8. In letzterem hat das fertige Halbzeug 7 die Temperatur T₃, die gleich oder niedriger oder höher als T₁ sein kann.

[0020] Alle übrigen Bezugszeichen entsprechen genau denjenigen der Fig. 2.

[0021] Fig. 4 zeigt den schematischen Ablauf einer 3. Variante des Verfahrens mit zweifacher Querschnittsverjüngung und einer Querschnittserweiterung des Werkstücks. Die linke Seite der Figur entspricht genau derjenigen von Fig. 1, während die rechte Seite ungefähr der Fig. 3 entspricht. Es handelt sich also um eine Superposition des ersten Verfahrensschritts gemäss Fig. 1 und eines zweiten und dritten Verfahrensschritts gemäss Fig. 3. 11 bedeutet das zweimal stranggepresste Werk­stück in der Verengung. Alle übrigen Bezugszeichen entsprechen denjenigen der vorangegangenen erwähnten Figuren. Im allge­meinen ist T₂ < T₁, während T₃ mindestens im Rahmen der Werk­stoffbedingungen beliebig sein und auch den Wert von T₁ an­nehmen kann.

[0022] In Fig. 5 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine Strang­presse zur Durchführung einer 2. Variante des Verfahrens in der Stellung unmittelbar nach dem Pressbeginn dargestellt. Die Strangpresse ist mit vertikaler Hauptachse gezeichnet. Diese kann jedoch eine beliebige Lage im Raum einnehmen und zum Beispiel auch horizontal liegen. 12 ist ein fester Tisch (Grundplatte) der Presse, 13 ist ein beweglicher, hydraulisch gesteuerter Tisch der Presse. 14 ist der Rezipient I (Press­zylinder) in den der Rohling, das zu verformende Pressgut 23 eingesetzt wird. 15 ist der Stempel I, welcher in den Rezipienten I hineinpasst. 16 ist eine Pressmatrize aus einem warmfesten Werkstoff. 17 ist der Rezipient II (Gegenpress­zylinder), in welchem sich der Stempel II (Gegenstempel) befindet, der in dem Masse, wie der Pressprozess fortschrei­tet, zurückgezogen wird. 19 ist ein Zwischenstück zwischen dem Tisch 13 und dem Rezipienten 17, das der Kraftübertragung dient. 20 ist ein hydraulisch gesteuerter Gegendruckzylinder, in welchem sich der Gegendruckkolben 21 bewegt. Dieser trägt über einen Halter 22 den Stempel 18. Im vorliegenden Fall sind die Durchmesser von Stempel I (15) und Gegenstempel II (18) gleich. Es findet beim Pressvorgang also eine intensive Durchknetung des Werkstoffes (Pressgut 23) aber keine bleiben­de Querschnittsveränderung statt.

[0023] In Fig. 6 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine Strang­presse zur Durchführung einer 2. Variante des Verfahrens in der Stellung in der 2. Hälfte des Pressvorgangs dargestellt. Sämtliche Bezugszeichen entsprechen denjenigen der Fig. 5. Der Tisch 13 und mit ihm die Rezipienten II (17) und I (14) sowie die Pressmatrize 16 bewegen sich vertikal nach unten, während der Stempel II (18) im gleichen Masse unter Ausübung eines Gegendrucks auf das Pressgut 23 nach oben zurückgezogen wird.

[0024] Fig. 7 stellt einen schematischen Längsschnitt durch eine Strangpresse zur Durchführung dieser 2. Variante des Verfah­rens in der Stellung am Ende des Pressvorgangs dar. Der Press­weg ist erschöpft, der Rezipient I (14) ruht mit seiner Stirn­seite auf dem Tisch 12. Das gesamte Pressgut 23 befindet sich im Hohlraum, der durch das Innere der Matrize 16 und des Rezipienten II (17) begrenzt wird. Die Bezugszeichen entsprechen genau demjenigen der Fig. 5.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 1:

Siehe Fig. 1 !

[0025] Es wurde eine Legierung der folgenden Zusammensetzung er­schmolzen:

Fe =	10 Gew.-%
V =	2 Gew.-%
Al =	Rest

[0026] Die Schmelze wurde mit einer Geschwindigkeit von mindestens 10⁶ °C/s durch Zerstäuben mit Stickstoff abgekühlt und das auf diese Weise hergestellte Pulver durch Kaltpressen zu einem zylindrischen Rohling von 200 mm Durchmesser verarbeitet. Der Rohling wurde im Vakuum entgast und weiter durch Heiss­pressen verdichtet.

[0027] Nun wurde der Rohling 2 als Presskörper in den ersten Rezi­pienten 1 einer Strangpresse eingesetzt und bei einer Tempera­tur T₁ von 400 °C und einem Reduktionsverhältnis von 8 : 1 zu einer zylindrischen Stange von 70 mm Durchmesser verpresst. Die mechanischen Eigenschaften des Werkstücks nach diesem ersten Verfahrensschritt ergaben sich bei Raumtemperatur wie folgt:

	längs	quer
Streckgrenze:	395	375	MPa
Zugfestigkeit:	460	430	MPa
Dehnung (l = 5d):	5	2	%
Einschnürung:	10	5	%

[0028] Von der stranggepressten Stange (Werkstück 5) von 70 mm Durch­messer wurde ein Stück abgeschnitten und in einem zweiten Rezipienten 4 einer Strangpresse bei einer Temperatur T₂ von 325 °C mit einem Reduktionsverhältnis von 3 : 1 zu einer Stange von 40 mm Durchmesser weiter verpresst. Die mechani­schen Eigenschaften des Werkstücks nach diesem zweiten Ver­fahrensschritt stellten sich bei Raumtemperatur wie folgt:

	längs	quer
Streckgrenze:	450	430	MPa
Zugfestigkeit:	485	470	MPa
Dehnung (l = 5d):	10	8	%
Einschnürung:	30	20	%

[0029] Der Kriechversuch ergab eine Lebensdauer bis zum Bruch von mehr als 1000 h unter einer Zugspannung von 280 MPa bei einer Temperatur von 200 °C.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 2:

Siehe Fig. 1:

[0030] Analog Beispiel 1 wurde eine Legierung erschmolzen, ein Pulver erzeugt, verdichtet, entgast und in zwei Schritten strang­gepresst. Die Legierung hatte die folgende Zusammensetzung

Fe =	12 Gew.-%
V =	1 Gew.-%
Zr =	1 Gew.-%
Al =	Rest

[0031] Der Rohling 2 hatte einen Durchmesser von 160 mm. Das Reduk­tionsverhältnis beim 1. Schritt betrug 5 : 1, die Temperatur T₁ 430 °C, der Stangendurchmesser 70 mm. Die Festigkeitswerte bei Raumtemperatur waren die folgenden:

	längs	quer
Streckgrenze:	440	430	MPa
Zugfestigkeit:	530	520	MPa
Dehnung (l = 5d):	6	1	%
Einschnürung:	10	1	%

[0032] Von dem stranggepressten Werkstück 5 von 70 mm Durchmesser wurde ein Stück abgeschnitten und unter einer Schmiedepresse bei einer Temperatur von 350 °C derart in der Strangpressrich­tung gestaucht, dass es einen Durchmesser von 100 mm annahm. Das Werkstück 5 wurde nun in einen zweiten Rezipienten 4 einer Strangpresse eingesetzt und bei einer Temperatur von 280 °C mit einem Reduktionsverhältnis von 5 : 1 zu einer Stange von 45 mm Durchmesser verpresst. Die Eigenschaften bei Raumtemperatur waren die folgenden:

	längs	quer
Streckgrenze:	500	480	MPa
Zugfestigkeit:	550	530	MPa
Dehnung (l = 5d):	12	6	%
Einschnürung:	30	15	%

[0033] Das Werkstück wurde hierauf während 2 h bei 400 °C geglüht. Es konnte keine Veränderung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere kein Festigkeitsabfall festgestellt werden.

[0034] Der Zugversuch bei 300 °C ergab eine Streckgrenze von 270 MPa, die unverändert auch nach einer Glühung während 100 h bei 300 °C erhalten blieb.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 3:

Siehe Fig. 1 !

[0035] Gemäss Beispiel 1 wurde eine Magnesiumlegierung erschmolzen und daraus ein Pulver hergestellt. Die Legierung hatte folgende Zusammensetzung:

Al =	8 Gew.-%
Zn =	1 Gew.-%
Mn =	0,4 Gew.-%
Mg =	Rest

[0036] Das Pulver wurde mit 0,8 % Al₂O₃ im Attritor während 10 h mechanisch legiert und auf diese Weise eine oxyddispersions­gehärtete Legierung erzeugt. Nach dem Kaltpressen, Entgasen und Heiss-Nachpressen wurde der Rohling 2 von 150 mm Durch­messer in den ersten Rezipienten einer Strangpresse eingesetzt und bei einer Temperatur T₁ von 450 °C und einem Reduktions­verhältnis von 6 : 1 zu einer Stange von 60 mm Durchmesser verpresst. Von der stranggepressten Stange wurde ein Abschnitt in einem zweiten Rezipienten 4 einer Strangpresse bei einer Temperatur T₂ von 360 °C mit einem Reduktionsverhältnis von 3 : 1 zu einer Stange von 35 mm Durchmesser verpresst. Die Eigenschaften bei Raumtemperatur stellten sich wie folgt:

	längs	quer
Streckgrenze:	380	350	MPa
Zugfestigkeit:	430	390	MPa
Dehnung (l = 5d):	8	6	%
Einschnürung:	15	12	%

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 4:

Siehe Fig. 1 !

[0037] Aehnlich Beispiel 3 wurde eine oxyddispersionsgehärtete Kupfer­legierung erzeugt. Die Matrix des Pulvers hatte die nachfolgen­de Zusammensetzung:

Be =	2 Gew.-%
Co =	0,5 Gew.-%
Mn =	1 Gew.-%
Cr =	0,2 Gew.-%
Fe =	0,3 Gew.-%
Si =	0,5 Gew.-%
MgO =	0,8 Gew.-%
Cu =	Rest

[0038] Bei der Weiterverarbeitung der Pulvermischung wurde genau gleich verfahren wie unter Beispiel 3. Die Strangpress-Reduk­tionsverhältnisse und Abmessungen des Werkstücks waren die gleichen. Die Temperatur T₁ betrug 800 °C, die Temperatur T₂ 650 °C.

[0039] Bei Raumtemperatur wurden folgende mechanische Eigenschaften gemessen:

	längs	quer
Streckgrenze:	550	500	MPa
Zugfestigkeit:	1100	980	MPa
Dehnung (l = 5d):	5	4	%
Einschnürung:	12	10	%

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 5:

Siehe Fig. 1 !

[0040] Als Legierung wurde eine oxyddispersionsgehärtete Nickelbasis-­Superlegierung mit der Handelsbezeichnung MA 6000 (Inco) mit folgender Zusammensetzung gewählt:

Cr =	15 Gew.-%
W =	4,0 Gew.-%
Mo =	2,0 Gew.-%
Al =	4,5 Gew.-%
Ti =	2,5 Gew.-%
Ta =	2,0 Gew.-%
C =	0,05 Gew.-%
B =	0,01 Gew.-%
Zr =	0,15 Gew.-%
Y₂O₃ =	1,1 Gew.-%
Ni =	Rest

[0041] Die Legierung lag im vorverdichteten, feinkörnigen Zustand vor. Als Ausgangsmaterial hatte eine mechanisch legierte Pulvermischung gedient.

[0042] Ein Rohling 2 von 75 mm Durchmesser wurde in den ersten Rezi­pienten 1 einer Strangpresse eingesetzt und bei einer Tempera­tur T₁ von 1050 °C und einem Reduktionsverhältnis von 6 : 1 zu einer Stange von 30 mm Durchmesser verpresst. Ein Probe­stab ergab nach einer Rekristallisationsglühung bei 1160 oC sehr mässige Duktilitätswerte, besonders in der Querrichtung. Längs betrug die Dehnung ca. 5 %, quer weniger als 1 %.

[0043] Von der Stange (Werkstück 5) von 30 mm Durchmesser wurde ein Abschnitt in einem zweiten Rezipienten 4 einer Strang­presse bei einer Temperatur T₂ von 920 °C mit einem Reduktions­verhältnis von 4 : 1 zu einer Stange von 15 mm Durchmesser weiter gepresst. Die mechanischen Eigenschaften nach erfolgter Grobkornglühung ergaben eine Streckgrenze von 980 MPa und eine Dehnung von 8 % in Strangpressrichtung und Werte von 580 MPa und 3 % in Querrichtung.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 6:

Siehe Fig. 2 !

[0044] Es wurde eine Aluminiumlegierung genau gleich wie unter Bei­spiel 1 erschmolzen und zu sehr feinem Pulver zerstäubt. Das Pulver wurde zunächst unter einem Druck von 4000 bar kalt­isostatisch zu einem Grünkörper verpresst, in eine Aluminium­kapsel eingeschweisst, unter Vakuum entgast und heiss nachge­presst. Dabei betrug die Dichte 77 % des theoretischen Wertes.

[0045] Der Rohling 2 hatte einen Durchmesser von 30 mm. Er wurde in den ersten Rezipienten 1 einer Strangpresse eingesetzt und bei einer Temperatur T₁ von 380 °C mit einem Reduktions­verhältnis von 4 : 1 zu einer Stange von 15 mm Durchmesser verpresst. Die mechanischen Eigenschaften des Werkstücks nach diesem ersten Verfahrensschritt stellten sich bei Raum­temperatur wie folgt:

	längs	quer
Streckgrenze:	380	350	MPa
Zugfestigkeit:	440	420	MPa
Dehnung (l = 5d):	4	2	%
Einschnürung:	8	4	%

[0046] Von der Stange (Werkstück 5) von 15 mm Durchmesser wurde ein Abschnitt in einem zweiten Rezipienten 4 einer Strang­presse bei einer Temperatur T₂ von 450 °C mit einem Erweite­rungsverhältnis von 1 : 5,5 unter einem hydrostatischen Druck von 4000 bar in den Gegenpresszylinder 8 (Presskraft 9) ge­drückt. Das fertige Halbzeug 7 hatte einen Durchmesser von 35 mm. Die mechanischen Eigenschaften des Werkstücks nach diesem zweiten Verfahrensschritt stellten sich bei Raumtempera­tur wie folgt:

	längs	quer
Streckgrenze:	460	440	MPa
Zugfestigkeit:	490	475	MPa
Dehnung (l = 5d):	11	9	%
Einschnürung:	28	22	%

[0047] Der Kriechversuch ergab eine Lebensdauer bis zum Bruch von mehr als 2000 h unter einer Zugspannung von 260 MPa bei einer Temperatur von 210 °C.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 7:

Siehe Fig. 4 !

[0048] Eine Magnesiumlegierung folgender Zusammensetzung wurde er­schmolzen:

Al =	6,5 Gew.-%
Zn =	2 Gew.-%
Mn =	0,2 Gew.-%
Mg =	Rest

[0049] Die Schmelze wurde im Argonstrom zu einem feinkörnigen Pulver zerstäubt und dieses dann mit 1 % MgO im Attritor während 12 h mechanisch legiert. Auf diese Weise wurde eine warmfeste oxyddispersionsgehärtete Magnesiumlegierung erzeugt. Das Pulver wurde unter einem Druck von 4500 bar kalt-isostatisch gepresst, in eine Kapsel aus Reinmagnesium eingeschweisst und unter Vakuum entgast. Der Rohling 2 hatte einen Durchmesser von 60 mm.

[0050] Nun wurde der Rohling 2 als Presskörper in den ersten Rezipi­enten 1 einer Strangpresse eingesetzt und bei einer Tempera­tur T₁ von 380 °C mit einem Reduktionsverhältnis von 4 : 1 zu einer zylindrischen Stange von 30 mm Durchmesser verpresst.

[0051] Von dieser Stange (Werkstück 5) wurde ein Stück abgeschnitten und in einer Strangpresse in einem zweiten Rezipienten 4 weiterverarbeitet. Die Strangpresse besass eine Querschnitts­ verengung (Matrize) 10 und einen erweiterten Gegenpresszylinder 8. Im Rezipienten 4 herrschte eine Temperatur T₂ von 240 °C, im Gegenpresszylinder 8 unter einer Gegenpresskraft 9, die einem hydrostatischen Druck von 3000 bar entsprach, eine Temperatur T₃ von 250 °C. Das Reduktionsverhältnis betrug 3 : 1, so dass das Werkstück 11 in der Verengung 10 noch einen Durchmesser von 17 mm aufwies. Das Erweiterungsverhält­nis war 1 : 3. Das fertige Halbzeug 7 hatte somit einen Durch­messer von 30 mm. Es wurden folgende mechanische Eigenschaften gemessen:

	längs	quer
Streckgrenze:	420	400	MPa
Zugfestigkeit:	470	450	MPa
Dehnung (l = 5d):	10	8	%
Einschnürung:	18	14	%

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 8:

Siehe Fig. 3 !

[0052] Es wurde eine oxyddispersionsgehärtete Kupferlegierung er­zeugt. Die Matrix hatte die nachfolgende Zusammensetzung:

	Be =	1,5 Gew.-%
	Ni =	0,5 Gew.-%
	Mn =	1,5 Gew.-%
	Ti =	0,5 Gew.-%
Dispersoid:	Y₂O₃ =	1,2 Gew.-%
	Cu =	Rest

[0053] Das Dispersoid wurde im Attritor mit der Matrix in Pulver­form mechanisch legiert. Das Pulvergemisch wurde kalt-iso­statisch gepresst, in eine weiche Kupferkapsel eingeschweisst, evakuiert und heiss nachverdichtet. Der Rohling 2 hatte einen Durchmesser von 30 mm.

[0054] Nun wurde der Rohling 2 in eine Strangpresse mit einem ersten Rezipienten 1 und einem erweiterten Gegenpresszylinder 8 sowie einer Querschnittsverengung 10 weiter verarbeitet. Die Temperatur T₁ betrug 700 °C, die Temperatur T₃ 650 °C. Das Reduktionsverhältnis war 4,5 : 1, so dass der Strang in der Verengung noch 14 mm Durchmesser aufwies. Das Erweite­rungsverhältnis war 1 : 5. Das fertige Halbzeug 7 hatte einen Durchmesser von 32 mm. Die mechanischen Festigkeitswerte bei Raumtemperatur waren:

	längs	quer
Streckgrenze:	580	535	MPa
Zugfestigkeit:	1150	1030	MPa
Dehnung (l = 5d):	4,5	4	%
Einschnürung:	10	9	%

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 9:

Siehe Fig. 5 bis 7 !

[0055] Als Legierung wurde eine oxyddispersionsgehärtete Nickel­basis-Superlegierung mit der Handelsbezeichnung MA 6000 ge­wählt: Die Zusammensetzung ist aus Beispiel 5 ersichtlich. Das Ausgangsmaterial entsprach genau den unter diesem Beispiel gemachten Angaben.

[0056] Ein Rohling von 40 mm Durchmesser wurde in den Rezipienten I (14 in Fig. 5) einer doppelt wirkenden Strangpresse einge­setzt und mittels Stempel I (15) mit einem Reduktionsverhält­nis von 4 : 1 durch die Pressmatrize 16 gepresst. Die Tempe­ratur im Rezipienten I betrug 980 °C. Im Rezipienten II (17) wurde als hydrostatisch wirkender Druck mittels Stempel II (18) ein Gegendruck von 10000 bar aufgebaut. Beide Rezipienten (14, 17) waren mit gekühlten, aussen liegenden Armierungs­ringen verstärkt, um den respektablen Drücken standhalten zu können. Die Pressmatrize 16 bestand aus der Molybdänlegie­rung TZM, war durch Aussenringe verstärkt und hatte eine Bohrung von 15 mm Durchmesser. Der Rezipient II hatte eine Bohrung von 30 mm Durchmesser, so dass das Erweiterungsver­hältnis 1 : 4 betrug. Die Temperatur T₃ im Rezipienten II betrug 1030 °C. Die mechanischen Werte bei Raumtemperatur ergaben sich wie folgt (nach Zonenglühung):

	längs	quer
Streckgrenze:	960	540	MPa
Zugfestigkeit:	1050	620	MPa
Dehnung (l = 5d):	6	3,5	%
Einschnürung:	8	5	%

[0057] Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.

[0058] Das Verfahren wird durchgeführt, indem die Verformung sukzessi­ve in mindestens zwei voneinander verschiedenen Temperatur­bereichen durchgeführt wird, wobei der Werkstoff zunächst durch Heiss-Strangpressen in seinem Querschnitt in einem oberen Temperaturbereich T₁ reduziert wird und danach in einem tieferen Temperaturbereich T₂ nochmals durch Heiss-­Strangpressen verformt wird, wobei sein Querschnitt weiter reduziert wird. Die Legierung mit erhöhter Warmfestigkeit ist eine ausscheidungshärtbare, aus übersättigter Schmelze durch extrem hohe Abkühlungsgeschwindigkeit hergestellte Hochtemperatur-Aluminiumlegierung oder eine oxyddispersions­gehärtete Magnesiumlegierung oder eine ausscheidungshärtbare oxyddispersionsgehärtete Kupferlegierung oder eine oxyddisper­sionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierung. Im Falle einer Hochtemperatur-Aluminiumlegierung wird die erste Verformung im Temperaturbereich T₁ von 360 bis 450 °C mit einem ersten Reduktionsverhältnis von 4 : 1 bis 8 : 1 und die zweite Ver­formung im Temperaturbereich T₂ von 200 bis 350 °C mit einem zweiten Reduktionsverhältnis von 2 : 1 bis 6 : 1 durchgeführt, dergestalt, dass das gesamte Reduktionsverhältnis 8 : 1 bis 40 : 1 beträgt. Der Rohling 2 aus pulvermetallurgisch herge­stellter Aluminiumlegierung ist kalt-isostatisch vorgepresst und entgast oder kalt-isostatisch vorgepresst, entgast und weiter kalt oder warm verdichtet. In einer Variante wird das Werkstück zwischen den beiden Strangpress-Verfahrensschrit­ten durch Stauchen in Strangpressrichtung (Warmschmieden) derart verformt, dass sein Querschnitt erweitert wird.

[0059] Das Verfahren wird ferner durchgeführt, indem die Verformung in mindestens zwei Phasen durchgeführt wird, wobei der Werk­stoff zunächst durch Heiss-Strangpressen in seinem Querschnitt in einem ersten Temperaturbereich T₁ reduziert wird und danach in einem zweiten Temperaturbereich T₂; T₃ nochmals durch Heiss-Strangpressen verformt wird, wobei sein Querschnitt wieder erweitert wird, dergestalt, dass er unmittelbar hinter der Matrize 10; 16 zu einer verhältnismässig scharfkantigen Umlenkung und zu einem Fliessen quer zur Strangpressrich­tung gezwungen wird. Im Falle einer Hochtemperatur-Aluminium­legierung wird die erste Verformung im Temperaturbereich T₁ von 360 bis 450 °C mit einem Reduktionsverhältnis von 4 : 1 und die zweite, der Erweiterung des Querschnitts dienen­de Verformung im Temperaturbereich T₂; T₃ von 200 bis 500 °C mit einem Erweiterungsverhältnis von 1 : 2 bis 1 : 8 durchge­führt.

[0060] Die zweite, der Erweiterung des Querschnitts dienende Ver­formung kann sich gerade aufheben, so dass das Produkt 1 wird und im Endeffekt das Werkstück den unveränderten Quer­schnitt des Rohlings aufweist. In einer Variante wird der aus Querschnittsreduktion und Querschnittserweiterung be­stehenden Verformung eine Querschnittsreduktion durch Strang­pressen mit einem Reduktionsverhältnis von 4 : 1 bis 8 : 1 im Temperaturbereich T₁ von 360 bis 450 °C vorgeschaltet.

[0061] In vorteilhafter Weise wird die zweite Verformung unter hydro­statischem Druck oder unter Ueberlagerung von isostatischem Druck im Sinne eines kombinierten Strang- und heiss-isostati­schen Pressens durchgeführt. Vorzugsweise werden die erste und zweite Verformung gleichzeitig, jedoch örtlich getrennt in einer Strangpresse durchgeführt, die aus zwei Rezipienten 14; 19, einer dazwischen angeordneten Pressmatrize 16 und zwei Stempeln 15; 18 besteht, wobei letztere eine gleich­sinnige Axialbewegung bezüglich der Mitte der Pressmatrize 16 ausführen.

BEZEICHNUNGSLISTE

[0062] 

1 Erster Rezipient (Temperatur T₁)

2 Pulvermetallurgisch hergestellter Rohling (Presskörper)

3 Presskraft im ersten Rezipienten

4 Zweiter Rezipient (Temperatur T₂)

5 Stranggepresstes Werkstück (Presskörper)

6 Presskraft im zweiten Rezipienten

7 Fertiges Halbzeug

8 Erweiterter Gegenpresszylinder (Temperatur T₃)

9 Presskraft im Gegenpresszylinder

10 Querschnittsverengung (Matrize)

11 Zweimal stranggepresstes Werkstück in der Verengung

12 Fester Tisch (Grundplatte) der Presse

13 Beweglicher, hydraulisch gesteuerter Tisch der Presse

14 Rezipient I (Presszylinder)

15 Stempel I

16 Pressmatrize

17 Rezipient II (Gegenpresszylinder)

18 Stempel II (Gegenstempel)

19 Zwischenstück (Kraftübertrager)

20 Gegendruckzylinder

21 Gegendruckkolben

22 Halter für Stempel II

23 Pressgut

Ansprüche

1. Verfahren zur Formgebung und Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von pulvermetallurgisch hergestellten Roh­lingen (2) aus einer Legierung mit erhöhter Warmfestigkeit durch Heiss-Strangpressen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung sukzessive in mindestens zwei voneinander verschiedenen Temperaturbereichen durchgeführt wird, wobei der Werkstoff zunächst durch Heiss-Strangpressen in seinem Querschnitt in einem oberen Temperaturbereich (T₁) reduziert wird und danach in einem tieferen Temperaturbereich (T₂) nochmals durch Heiss-Strangpressen verformt wird, wobei sein Querschnitt weiter reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung mit erhöhter Warmfestigkeit eine ausschei­dungshärtbare, aus übersättigter Schmelze durch extrem hohe Abkühlungsgeschwindigkeit hergestellte Hochtemperatur-­Aluminiumlegierung oder eine oxyddispersionsgehärtete Magnesiumlegierung oder eine ausscheidungshärtbare oxyddis­persionsgehärtete Kupferlegierung oder eine oxyddispersions­gehärtete Nickelbasis-Superlegierung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eine Hochtemperatur-Aluminiumlegierung ist und dass die erste Verformung im Temperaturbereich (T₁) von 360 bis 450 oC mit einem ersten Reduktionsverhältnis von 4 : 1 bis 8 : 1 und die zweite Verformung im Temperatur­bereich (T₂) von 200 bis 350 °C mit einem zweiten Reduk­tionsverhältnis von 2 : 1 bis 6 : 1 durchgeführt wird, dergestalt, dass das gesamte Reduktionsverhältnis 8 : 1 bis 40 : 1 beträgt.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling (2) aus pulver­metallurgisch hergestellter Aluminiumlegierung kalt-iso­statisch vorgepresst und entgast oder kalt-isostatisch vorgepresst, entgast und weiter kalt oder warm verdichtet ist.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die erste, den Querschnitt reduzierende Verformung erzeugte Werkstück vor der zweiten Verformung durch Stauchen in der Strang­pressrichtung warmgeschmiedet wird, dergestalt, dass sein Querschnitt erweitert wird.

6. Verfahren zur Formgebung und Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von pulvermetallurgisch hergestellten Roh­lingen (2) aus einer Legierung mit erhöhter Warmfestigkeit durch Heiss-Strangpressen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung in mindestens zwei Phasen durchgeführt wird, wobei der Werkstoff zunächst durch Heiss-Strangpressen in seinem Querschnitt in einem ersten Temperaturbereich (T₁) reduziert wird und danach in einem zweiten Temperatur­bereich (T₂; T₃) nochmals durch Heiss-Strangpressen verformt wird, wobei sein Querschnitt wieder erweitert wird, derge­stalt, dass er unmittelbar hinter der Matrize (10; 16) zu einer verhältnismässig scharfkantigen Umlenkung und zu einem Fliessen quer zur Strangpressrichtung gezwungen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung mit erhöhter Warmfestigkeit eine ausschei­dungshärtbare aus übersättigter Schmelze durch extrem hohe Abkühlungsgeschwindigkeit hergestellte Hochtemperatur-­Aluminiumlegierung oder eine oxyddispersionsgehärtete Magnesiumlegierung oder eine ausscheidungshärtbare oxyd­dispersionsgehärtete Kupferlegierung oder eine oxyddis­persionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierung ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eine Hochtemperatur-Aluminiumlegierung ist und dass die erste Verformung im Temperaturbereich (T₁) von 360 bis 450 °C mit einem Reduktionsverhältnis von 4 : 1 und die zweite, der Erweiterung des Querschnitts dienende Verformung im Temperaturbereich (T₂; T₃) von 200 bis 500 °C mit einem Erweiterungsverhältnis von 1 : 2 bis 1 : 8 durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite, der Erweiterung des Querschnitts dienende Verformung bei einer Temperatur (T₂; T₃) durchgeführt wird, die unterhalb der Temperatur (T₁) der ersten Verfor­mung liegt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die weite, der Erweiterung des Querschnitts dienende Verformung bei einer Temperatur (T₂; T₃) durchgeführt wird die oberhalb der Temperatur (T₁) der ersten Verformung liegt.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsreduktion der ersten Verformung und die Querschnittserweiterung der zweiten Verformung sich gerade aufheben, so dass das Produkt 1 wird und im Endeffekt das Werkstück den unveränderten Querschnitt des Rohlings aufweist.

12. Verfähren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der us Querschnittsreduktion und Querschnittserweiterung bestehenden Verformung eine Querschnittsreduktion durch Strangpressen mit einem Reduktionsverhältnis von 4 : 1 bis 8 : 1 im Temperaturbereich (T₁) von 360 bis 450 °C vorgeschaltet wird

13. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verformung unter hydrostatischem Druck oder unter Ueberlagerung von isostatischem Druck im Sinne eines kombinierten Strang- und heiss-isostatischen Pressens durchgeführt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Verformung gleichzeitig, jedoch örtlich getrennt in einer Strangpresse durchgeführt werden, die aus zwei Rezipienten (14; 19), einer dazwischen ange­ordneten Pressmatrize (16) und zwei Stempeln (15; 18) besteht, wobei letztere eine gleichsinnige Axialbewegung bezüglich der Mitte der Pressmatrize (16) ausführen.

15. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling (2) aus pulver­metallurgisch hergestellter Aluminiumlegierung kalt-iso­statisch vorgepresst und entgast oder kalt-isostatisch vorgepresst, entgast und weiter kalt oder warm verdichtet ist.

Zeichnung