Verfahren zum Herstellen eines Gradientenbauteils im teilflüssigen Zustand

Abstract

 Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Gradientenbauteils im teilflüssigen Zustand, insbesondere mittels eines Thixogießverfahrens oder Thixoschmiedeverfahrens, mit einem Gießwerkstoff, welcher zunächst als Vormaterial hergestellt und beim anschließenden Gießverfahren oder Schmiedeverfahren bis zu einem teilflüssigen Zustand wiedererwärmt wird, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Vormaterial aus wenigstens zwei verschiedenen Werkstoffen hergestellt wird, welche im Vormaterial separat durch wenigstens eine Grenzlinie voneinander getrennt angeordnet werden. Die Vormaterialien werden beispielsweise in wenigstens zwei getrennten Erwärmungsanlagen aufgeheizt und in wenigstens zwei Gießkammern eingelegt und zeitgleich oder zeitversetzt verpreßt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gradientenbauteils im teilflüssigen Zustand, insbesondere mittels eines Thixogieß- oder Thixoschmiedeverfahrens, mit einem Gießwerkstoff, welcher zunächst als Vormaterial hergestellt und beim anschließenden Gießverfahren oder Schmiedeverfahren bis zu einem teilflüssigen Zustand wieder erwärmt wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Zukünftige Entwicklungen in der Leichtbautechnik hängen insbesondere von den Werkstoffeigenschaften der eingesetzten Bauteile ab. Die Forderung nach immer besseren Eigenschaften dieser Bauteile aus gegossenen Werkstoffen bedingen die Entwicklung von technologisch immer anspruchsvolleren Gießverfahren. Hierbei werden beispielsweise Bauteile mit lokal unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften angestrebt. Beispielsweise soll der Bauteilkörper selbst aus einem duktilen Trägerwerkstoff bestehen, während Randbereiche des Bauteils aus einem besonders verschleißfesten Werkstoff hergestellt sein sollen. Ein Sondergießverfahren aus der Klasse des "Semi-Solid-Metalforming" stellt das Thixogießen dar. Dieses mit dem Druckgießen verwandte Verfahren zeichnet sich durch die Besonderheit der Verarbeitung des Metalls im teilflüssigen Zustand aus. Aufgrund der für einen Umformprozeß völlig untypischen "Gießtemperatur" innerhalb des Erstarrungsintervalls bietet das Thixogießen ein Verfahrenspotential, das zwischen dem Umformen von Gießverfahren und dem Umformen durch Schmiedeprozesse eingeordnet werden kann. Aus der DE 196 05 839 A1 ist ein Thixogießverfahren bekannt, welches die Anforderungen, die an eine wirtschaftliche und innovative Fertigungstechnologie gestellt werden, erfüllt. Dazu zählen eine hohe Produktivität wie beim Druckgießen, bei gleichzeitig sehr guten Bauteileeigenschaften. Die nach diesem Sondergießverfahren hergestellten Gußteile in "Near-Net-Shape"-Qualität sind schweißbar, druckdicht und wärmebehandelbar. Ein typisches Anwendungsgebiet liegt in der Substitution hochwertiger Bauteile, die aufgrund hoher Anforderungen an die Werkstoffeigenschaften nicht druckgegossen werden können, sondern kostenintensiv geschmiedet oder kokillengegossen werden müssen. Zu den typischen Bauteilen zählen z.B. Bremszylinder, Teile der Kfz-Einspritzanlage, Kfz-Fahrwerksteile, Bremsscheiben, Zahnräder und/oder Kolben für den Motorenbereich.

[0003] Der Verfahrensablauf des Thixogießens läßt sich dabei in drei Prozeßschritte unterteilen. Hierzu zählen die Herstellung eines speziellen Vormaterials, dessen Wiedererwärmung in den teilflüssigen Zustand und die unmittelbar angeschlossene Formgebung durch einen modifizierten Druckgießprozeß. Jeder einzelne Schritt beinhaltet eine Vielzahl von Parametem, deren genaue Kontrolle und Steuerung für den Erfolg des Verfahrens von entscheidender Bedeutung sind.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren der o.g. Art zur Verfügung zu stellen, wobei auf einfache und gut kontrollierbare bzw. wiederholbare Weise lokal vorbestimmte Werkstoffeigenschaften eines herzustellenden Bauteils erzielbar sind.

[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

[0006] Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Vormaterial aus wenigstens zwei verschiedenen Werkstoffen hergestellt wird, welche im Vormaterial separat durch wenigstens eine Grenzlinie voneinander getrennt angeordnet werden. Dies hat den Vorteil, daß in einem einzigen Gießverfahren wenigstens zwei unterschiedliche Legierungen verarbeitet werden und somit in einem einzigen Gießvorgang funktionsbezogene Eigenschaftsverbesserungen der Bauteile erzielbar sind. Ferner werden Grenzflächenspannungen der unterschiedlichen Werkstoffe durch die gemeinsame Verarbeitung im teilflüssigen Zustand reduziert. Ferner wird durch die Verarbeitung im teilflüssigen Zustand eine Ausgangsstruktur während des Formgebungsprozesses beibehalten. Im Gegensatz zum Druckguß sind die erfindungsgemäß hergestellten Bauteile druckdicht, wärmebehandelbar und schweißbar.

[0007] Zum Erzielen unterschiedlichster Werkstoffeigenschaften des herzustellenden Bauteils ist wenigstens einer der Werkstoffe eine Legierung.

[0008] Für eine einfache Ausführung des Thixogießverfahrens wird in vorteilhafter Weise das Vormaterial als einzelner Bolzen vorgefertigt. In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird je ein Bolzen aus jeweils einem Werkstoff hergestellt und anschließend die mehreren Bolzen zum Ausführen des Thixogießverfahrens aneinander gereiht. Hierbei wird ein sog. SSP Verfahren angewendet, wie aus der obengenannten DE 196 05 839.2 bekannt.

[0009] Zweckmäßigerweise wird zuerst ein Bolzen des Vormaterials aus einem ersten Werkstoff mit einer Ausnehmung hergestellt und anschließend zur Vervollständigung des Bolzens als Vormaterial wenigstens ein zweiter Werkstoff diese Ausnehmung füllend eingeformt.

[0010] In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform wird zuerst ein Bolzen des Vormaterials aus einem ersten Werkstoff hergestellt und anschließend zur Vervollständigung des Bolzens als Vormaterial wenigstens ein zweiter Werkstoff um diesen Bolzen herum und diesen in einem vorbestimmten Bereich umschließend angeformt.

[0011] Ein Vormaterial beispielsweise in Form eines Gradientenbolzens erzielt man in besonders vorteilhafter Weise dadurch, daß pulvermetallurgische Vorlegierungen zum Herstellen des Vormaterials verwendet werden oder ein Single-Slug-Production Verfahren (SSP) gemäß der DE 196 05 839 angewendet wird.

[0012] Zweckmäßigerweise werden als Vormaterial Eisen, eine NE-Legierung und/oder pulvermetallurgisch hergestellte Verbunde verwendet.

[0013] In einer besonders bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Wiedererwärmung der separiert voneinander vorliegenden Werkstoffe des Vormaterials gemeinsam oder getrennt und die Werkstoffe werden anschließend zusammen in eine Gießkammer eingelegt und gemeinsam verpreßt oder auch in wenigstens zwei getrennte Gießkammern eingelegt und gleichzeitig oder zeitverzögert verpreßt.

[0014] Dadurch, daß man einzelne Bolzen aus dem Vormaterial herstellt, wobei man die Erstarrung des Materials unter erhöhtem Druck und Anlegen eines äußeren Magnetfelds ausführt, entfallen zeit- und kostenaufwendige Arbeitsschritte, wie beispielsweise das Ablengen und/oder Abdrehen der Bolzen. Dieses Verfahren wird auch als Single-Slug-Production (SSP) bezeichnet.

[0015] In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Lösung der obigen Aufgabe bei einem Verfahren der o.g. Art das Vormaterial getrennt aus wenigstens zwei verschiedenen Werkstoffen hergestellt, welche jeweils getrennt in teilflüssigem Zustand jeweils in voneinander getrennten Gießkammem einer Form gelegt und gleichzeitig in die Form gepreßt werden.

[0016] Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:

Fig. 1

eine Schnittansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines Vormaterials für ein erfindungsgemäßes Verfahren,

Fig. 2

in Schnittansicht eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines Vormaterials für ein erfindungsgemäßes Verfahren und

Fig. 3

eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Ausführen eines Thixogieß- oder Thixoschmiedeverfahrens mit einem erfindungsgemäß vorbereiteten Vormaterial,

Fig. 4.

eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Ausführen eines Thixogieß- oder Thixoschmiedeverfahrens und

Fig. 5

eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Ausführen eines Thixogieß- oder Thixoschmiedeverfahrens

[0017] Fig. 1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäß hergestellten Vormaterials 100 aus einer ersten Legierung 10 und einer zweiten Legierung 12. Die beiden Legierungen 10 und 12 sind durch eine Grenzlinie 14 voneinander getrennt. Hierbei kann das Vormaterial 100 aus den beiden Legierungen 10 und 12 einstückig hergestellt sein oder die jeweiligen Vormaterialbolzen 10 und 12 sind separat hergestellt und stoßen an der Grenzlinie 14 einfach aneinander.

[0018] Dementsprechend erfolgt die Wiedererwärmung für das Thixogießverfahren für die beiden Vormaterialbolzen 10 und 12 gemeinsam oder getrennt voneinander.

[0019] Fig. 2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäß hergerichteten Vormaterials 200. Hierbei ist die erste Legierung 10 derart ausgebildet, daß sie die zweite Legierung 12 in einem vorbestimmten Bereich umschließt. In diesem Falle ist eine im Querschnitt U-förmige Grenzlinie 14 zwischen der ersten Legierung 10 und der zweiten Legierung 12 ausgebildet. Die Herstellung eines derartigen Bolzens aus zwei verschiedenen Legierungen kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. In einer ersten Ausführungsform wird zunächst der im Querschnitt U-förmige Bolzen mit der ersten Legierung 10 hergestellt. In einem zweiten Schritt wird die von dem Bolzen der ersten Legierung 10 umschlossene Ausnehmung mit der zweiten Legierung 12 aufgefüllt. Es ist jedoch auch in umgekehrter Weise möglich, zuerst den Bolzen mit der zweiten Legierung 12 herzustellen und die erste Legierung 10 um die zweite Legierung 12 herum anzuformen.

[0020] Erfindungsgemäß ist also ein Vormaterial 100 oder 200 vorgesehen, welches wenigstens zwei verschiedene Werkstoffe, beispielsweise in Form von erster und zweiter Legierung 10 und 12, umfaßt. Der besondere Vorteil liegt darin, daß nunmehr durch die Verarbeitung dieses "Hybrid"-Vormaterials in einem einzigen Verfahrensschritt beim Thixogießen oder Thixoschmieden wenigstens zwei verschiedene Materialien 10, 12 verarbeitet werden. Hierbei wird beispielsweise ein Vormaterial 100 in eine Gießkammer 16 einer Thixogießvorrichtung, wie in Fig. 3 dargestellt, eingesetzt. Hierbei erfolgt die Anordnung des Vormaterials 100 derart, daß beim Einpressen des Vormaterials 100 mittels des Kolben 20 in einen Forminnenraum 18 zuerst die erste Legierung 10 eintritt und erst anschließend die zweite Legierung in den Forminnenraum 18 eintritt. Die erste Legierung 10 ist beispielsweise ein Werkstoff mit hoher Verschließfestigkeit, wogegen die zweite Legierung 12 beispielsweise ein Werkstoff mit duktilen Eigenschaften zum Ausbilden eines Trägerkörpers des herzustellenden Bauteils ist.

[0021] Durch die entsprechende Anordnung der ersten und zweiten Legierung 10 und 12, daß sie in einem einzigen Thixogießverfahren nacheinander in den Formeninnenraum 18 eindringen, wird folgendes erzielt:

[0022] Der erste Werkstoff, hier beispielsweise die erste Legierung 10, reichert bzw. lagert sich an äußeren Bereichen des Formeninnenraums 18, d.h. also an Außenbereichen des herzustellenden Bauteils, an, so daß der erste Werkstoff 10 mit seiner verschleißfesten Eigenschaft eine äußere Grenzfläche des Bauteils bildet. Dagegen füllt im Anschluß der zweite Werkstoff 12 den Formeninnenraum 18 aus, so daß der zweite Werkstoff 12 mit seiner duktilen Eigenschaft einen Trägerkörper des herzustellenden Bauteils bildet.

[0023] Somit ist in einem einzigen Arbeitsschritt ein Bauteil hergestellt, welches lokal unterschiedliche Eigenschaften aufweist, nämlich eine verschleißfeste Außenfläche und einen duktilen Trägerkörper. Der besondere Vorteil liegt in der Wirtschaftlichkeit des Gradientenverfahrens, da konventionell mehrere Arbeitsschritte zur Bauteilerstellung notwendig sind. Des weiteren erzielt man beispielsweise mit einem ausschließlich verschleißfesten Material keine Duktilität, welche aber oftmals gefordert ist.

[0024] Diese erfindungsgemäße "Einschdtt"-Technik für das Thixogießverfahren, bei der in einem einzigen Schritt wenigstens zwei unterschiedliche Werkstoffe verarbeitet werden, kann in vorteilhafter Weise noch dadurch unterstützt werden, daß für den Forminnenraum 18 entsprechende Schnitte und Ausformungen gewählt werden, so daß vorbestimmte Strömungsprozesse des teilflüssigen Materials während des Thixogießverfahrens dafür sorgen, daß beispielsweise der erste Werkstoff 10 mit seiner verschleißfesten Eigenschaft an vorbestimmten Stellen des Formeninnenraums 18 angereichert wird. Weiterhin kann dies durch eine entsprechende Erwärmungstechnik während des Thixogießverfahrens unterstützt werden, da üblicherweise die beiden verschiedenen Werkstoffe 10 und 12 nicht unbedingt die exakt gleiche Verarbeitungstemperatur während des Thixogießverfahrens benötigen. So können beispielsweise der erste Werkstoff 10 und der zweite Werkstoff 12 derart gewählt werden, daß der erste Werkstoff 10 eine niedrigere Verarbeitungstemperatur hat als der zweite Werkstoff 12. Während des Thixogießverfahrens wird dann in einem ersten Schritt zunächst die niedrigere Verarbeitungstemperatur der ersten Legierung 10 angefahren, so daß diese sich optimal auf den Randbereichen des Innenraums 18 verteilt. Erst im Verlaufe des Thixogießverfahrens wird dann auf die zweite, höhere Verarbeitungstemperatur der zweiten Legierung 12 gefahren, so daß erst nach einer optimalen und vorbestimmten Verteilung der ersten Legierung 10 eine entsprechende Verteilung der zweiten Legierung 12 im Formeninnenraum 18 erfolgt. Hierbei füllt die zweite Legierung 12 im wesentlichen einen inneren Formenraum unter Ausbildung eines Trägerkörpers für das herzustellende Bauteil aus.

[0025] Falls die verschiedenen Vormaterialien, die in einem Bolzen zusammengefügt werden, ein ähnliches Erwärmungsverhalten aufweisen, können diese gemeinsam in einer Erwärmungsanlage in den teilflüssigen Zustand erwärmt werden. Sind die Materialien im Erwärmungsverhalten stark unterschiedlich, sind bevorzugt zwei Aufheizstationen erforderlich. Beide Aufheizstationen haben die gleiche Taktzeit und die Bolzensegmente werden zur gleichen Zeit oder mit geringer Verzögerung in die Gießkammer befördert und dann gemeinsam verarbeitet bzw. verpreßt.

[0026] Erfindungsgemäß ist das Verfahren nicht auf die Verwendung von zwei unterschiedlichen Werkstoffen 10 und 12 beschränkt. Vielmehr können dies auch drei, vier oder mehr Werkstoffe sein. In einem Extremfall weist das Vormaterial nicht mehr eine endliche Anzahl von verschiedenen Werkstoffen 10, 12 auf, sondern ist als Gradientenbolzen ausgeführt. Dieser kann in allen bekannten Fertigungstechnologien für das Verarbeiten von teilflüssigen Werkstoffen eingesetzt werden.

[0027] Eine weitere Möglichkeit der Verarbeitung teilflüssiger Werkstoffe mit dem Ziel eines Gradientenbauteils ist eine Befüllung der Form von zwei Seiten oder an zwei übereinander bzw. nebeneinander angeordneten Gießkammern. Die Bolzen werden zeitgleich von jeweils einer Aufheizstation in die rechte und linke Gießkammer bzw. obere und untere Kammer eingelegt und dann werden beide Gießkolben der Druckgießmaschine zum Formfüllen bewegt und das Material in die Form befördert. Durch die Einstellung der Prozeßparameter an der Formgebungsseite erfolgt eine genaue Einstellung des Gradientengefüges.

[0028] Die Fig. 4 und 5 zeigen weitere Varianten einer Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei werden die Legierungen 10 und 12 in unterschiedlichen Kammern angeordnet. Alternativ sind auch drei oder mehr Kammern für die unterschiedlichen Legierungen vorgesehen. Diese Kammern sind gemäß Fig. 5 nebeneinander bzw. übereinander angeordnet. Alternativ sind, wie in Fig. 4 dargestellt, zwei oder mehr Gießkammern gegenüberliegend angeordnet. Die Formgebung durch Verpressen aus den jeweiligen Kammern heraus erfolgt zeitgleich oder zeitlich verzögert. Die Auswahl der Anordnung erfolgt beispielsweise in Abhängigkeit von der Konstruktion des Bauteiles. Die Werkstoffe 10, 12 werden bevorzugt in getrennten Erwärmungsanlagen aus unterschiedlichen Vormaterialien in die jeweiligen Gießkammern eingelegt. Hierbei werden beispielsweise konventionelle Vorlegierungen eingesetzt. Die Besonderheit liegt hierbei insbesondere in der Anordnung der Gießkammern und der getrennten Aufheizung der Materialien.

Ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines Gradientenbauteils im teilflüssigen Zustand, insbesondere mittels eines Thixogießverfahrens oder Thixoschmiedeverfahrens, mit einem Gießwerkstoff, welcher zunächst als Vormaterial hergestellt und beim anschließenden Gießverfahren oder Schmiedeverfahren bis zu einem teilflüssigen Zustand wieder erwärmt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Vormaterial aus wenigstens zwei verschiedenen Werkstoffen hergestellt wird, welche im Vormaterial separat durch wenigstens eine Grenzlinie voneinander getrennt angeordnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Werkstoffe eine Legierung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vormaterial als einzelner Bolzen vorgefertigt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß je ein einzelner Bolzen aus jeweils einem Werkstoff hergestellt wird und die mehreren Bolzen zum Ausführen des Thixogießverfahrens oder Thixoschmiedeverfahrens aneinander gereiht werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst ein Bolzen des Vormaterials aus einem ersten Werkstoff mit einer Ausnehmung hergestellt wird und anschließend zur Vervollständigung des Bolzens als Vormaterial wenigstens ein zweiter Werkstoff diese Ausnehmung füllend eingeformt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst ein Bolzen des Vormaterials aus einem ersten Werkstoff hergestellt wird und anschließend zur Vervollständigung des Bolzens als Vormaterial wenigstens ein zweiter Bolzen um diesen Bolzen herum und diesen in einem vorbestimmten Bereich umschließend angeformt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß metallurgische Vorlegierungen zum Herstellen des Vormaterials verwendet werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Vormaterial Eisen, eine NE-Legierung und/oder pulvermetallurgisch hergestellte Verbunde verwendet werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiedererwärmung der separiert voneinander vorliegenden Werkstoffe des Vormaterials gemeinsam oder getrennt erfolgt und die Werkstoffe anschließend zusammen in eine Gießkammer eingelegt und verpreßt werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man einzelne Bolzen aus dem Vormaterial herstellt, wobei man eine Erstarrung des Materials unter erhöhtem Druck und Anlegen eines äußeren Magnetfeldes ausführt.

11. Verfahren zum Herstellen eines Gradientenbauteils im teilflüssigen Zustand, insbesondere mittels eines Thixogießverfahrens oder Thixoschmiedeverfahrens, mit einem Gießwerkstoff, welcher zunächst als Vormaterial hergestellt und beim anschließenden Gießverfahren bis zu einem teilflüssigen Zustand wieder erwärmt wird, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Vormaterial getrennt aus wenigstens zwei verschiedenen Werkstoffen hergestellt wird, welche jeweils getrennt in teilflüssigem Zustand jeweils in voneinander getrennten Gießkammern einer Form gelegt und gleichzeitig oder zeitlich verzögert in die Form gepreßt werden.

Zeichnung