Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Profilstranges nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Im Rahmen der Erfindung liegt auch eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung sowie eine Anwendung des Verfahrens bzw. eine Verwendung der Vorrichtung.
Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung von Metallprofilen ist das Strangpressen. Mit der heutigen Presstechnologie ist es jedoch kaum möglich, Grossprofile aus Aluminiumlegierungen mit einer Breite von mehr als etwa 700 mm herzustellen. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass Profilwandstärken von weniger als etwa 2 mm kaum realisiert werden können. Im Hinblick auf Gewichts- und Kosteneinsparungen wäre es jedoch höchst wünschenswert, die Wandstärken bei Profilen zu verringern, d.h. unter Einhaltung üblicher geometrischer Profiltoleranzen Wandstärken von weniger als 1 mm zu erreichen.
Die limitierte Presskraft, die begrenzten Möglichkeiten einer gleichmässigen Metallverteilung bezüglich Temperatur und Fliessgeschwindigkeit sind die wesentlichen Faktoren, die bei Anwendung der heutigen Presstechnologie einer Herstellung von extrem dünnwandigen Profilen entgegenstehen.
Der heutigen Presstechnologie sind jedoch auch bei der Herstellung von Profilen mittlerer oder kleinerer Breite hinsichtlich der zu verarbeitenden Werkstoffe sowie der zu erzeugenden Querschnittsdimensionen gewisse Grenzen gesetzt. So sind beispielsweise harte Aluminiumlegierungen mit den heute in konventionellen Strangpressen üblichen Presskräften kaum oder nur sehr schwer zu verpressen. Diese Einschränkung gilt in besonderem Mass für die Herstellung von Hohlprofilen, insbesondere von Mehrkammerhohlprofilen. Die daraus resultierende langsame Pressgeschwindigkeit wirkt sich negativ auf die Produktionskosten aus. Hinzu kommen oft ungenügende Masstoleranzen sowie eine schlechte Metallverteilung, die sich vor allem durch eine ungenügende Formfüllung bei Profilpartien mit kleinen Querschnittsdimensionen bemerkbar macht.
Die Verarbeitung von partikelverstärkten Verbundwerkstoffen aus einer Metallmatrix mit in dieser in disperser Form vorliegenden Partikeln oder Fasern aus nichtmetallischen, hochschmelzenden Materialien durch Strangpressen führt zu vergleichbaren Problemen wie die oben erwähnte Verarbeitung harter Legierungen. In WO-A-87/06624, WO-A-91/02098 und WO-A-92/01821 ist die Herstellung dieser sogenannten Metal Matrix Composites ausführlich beschrieben. Hierbei werden grundsätzlich zunächst die in die Metallmatrix einzuführenden Partikel homogen in eine Legierungsschmelze eingerührt, und der schmelzflüssige Verbundwerkstoff wird nachfolgend beispielsweise durch Stranggiessen zu dem für die Weiterverarbeitung durch Strangpressen oder Walzen geeigneten Format vergossen.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus JP-A-04 066 219 bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zu schaffen, mit denen sich auch harte Legierungen und Verbundwerkstoffe aller Art kostengünstig zu qualitativ hochwertigen Produkten verarbeiten lassen. Ein anderes Ziel ist die wirtschaftliche Herstellung extrem dünnwandiger Grossprofile und/oder Grossprofile mit extremer Breite. Zudem sollen bestehende Strangpressanlagen auf einfache und kostengünstige Weise umgerüstet werden können.
Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1.
Die Vorform wird üblicherweise in der Form eines Bolzens in eine weiter unten näher beschriebene Vorformkammer eingesetzt. Vorform und Vorformkammer entsprechen damit dem Pressbolzen bzw. dem Rezipienten beim Strangpressen.
Durch die erfindungsgemässe Verformung der Vorform im teilfesten/teilflüssigen Zustand lassen sich bei gleichbleibender Presskraft Werkstoffe zu Profilen verarbeiten, die über konventionelles Strangpressen kaum oder nur sehr unwirtschaftlich herstellbar sind. Als Folge der geringeren erforderlichen Presskräfte können im Vergleich zur konventionellen Herstellungsweise vergleichbare Profildimensionen auf kleineren Anlagen verpresst werden, was sich günstig auf die Fabrikationskosten auswirkt.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens liegt darin, dass Hartlegierungen und Verbundmaterialien zu Profilen mit metallurgischen Eigenschaften verarbeitet werden können, die über konventionelles Strangpressen nicht erzielbar sind.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren lassen sich bei gleichbleibender Presskraft auch breitere Profile mit geringerer Profilwandstärke herstellen als dies mit der heutigen Presstechnologie möglich ist.
Die zentrale Idee, die dem erfindungsgemässen Verfahren zugrunde liegt, wird darin gesehen, die Vorform mit möglichst geringer Presskraft dem Endquerschnitt so stark anzunähern, dass eine Endformung des Profilstrangquerschnittes mittels einer Matrize ebenfalls mit geringer Presskraft durchgeführt werden kann. Dies wird durch die erfindungsgemässe Verformung im teilfesten/teilflüssigen Zustand erreicht.
Der Einsatz von Vorformen im teilfesten/teilflüssigen Zustand hat gegenüber der Verwendung herkömmlicher, vollkommen erstarrter Pressbolzen den Vorteil, dass die Umformung mit wesentlich geringerer Presskraft erfolgen kann. Wird der Anteil an Flüssigphase gegenüber dem Festphasenanteil gering gehalten, so kann auch in dickwandigen Profilbereichen eine genügend rasche Erstarrung erreicht werden.
Da der Druck auf die Vorform, d.h. die Presskraft, beispielsweise infolge der bei Spezialzusätzen erforderlichen hohen Rezipiententemperatur von bis zu 600°C nicht beliebig erhöht werden kann, ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemässen Verfahrens vorgesehen, das Verpressen der Vorform zum Profilstrang durch eine am Profilstrang angreifende Zugkraft zu unterstützen.
Bevorzugt beträgt der Umformungsgrad beim Uebergang von der Vorform zum Profilstrang im teilfesten/teilflüssigen Zustand wenigstens 50%, vorzugsweise wenigstens 80%. Unter Umformgrad wird hier die Abnahme des Querschnitts während der Verformung der Vorform zum Profilstrang verstanden.
Wird am Profilstrang eine hohe Oberflächengüte und/oder eine hohe Masstoleranz gefordert, so kann der Profilstrang unmittelbar nach dem Austritt aus der Kokille zur Endformung des Profilstrangquerschnittes durch eine Matrize geführt werden. Diese Endformung des Profilstrangquerschnittes wird zweckmässig mit einem Umformgrad von höchstens 15%, vorzugsweise höchstens 10%, durchgeführt.
Bevorzugt wird der Profilstrang nach dem Austritt aus der Kokille oder der Matrize durch vollständige Verdampfung eines auf den Profilstrang aufgesprühten Kühlmittels gekühlt. Durch die Kühlung mit vollständiger Verdampfung des Kühlmittels wird verhindert, dass flüssiges Kühlmittel in Richtung auf das heisse und gegebenenfalls noch in teilflüssigem Zustand vorliegende Metall zurückfliessen kann. Mit dieser Massnahme kann die Kühleinrichtung möglichst nahe am Ort der gewünschten Kühlung, d.h. möglichst nahe bei der Kokille bzw. der Matrize, angeordnet sein.
Der Anteil an Flüssigphase in der Vorform während deren Verformung richtet sich nach der Art des zu verarbeitenden Werkstoffes. Im allgemeinen liegt dieser Anteil bei höchstens 70% und beträgt vorzugsweise etwa 20 bis 50%. Für die Vorformen können grundsätzlich alle Werkstoffe eingesetzt werden, bei denen sich ein teilfester/teilflüssiger Zustand innerhalb eines für die Praxis genügend breiten Temperaturintervalls einstellen lässt. Geeignete Werkstoffe sind etwa
Als Metallmatrix sind insbesondere Aluminium- und Magnesiumlegierungen geeignet. Deren Grundeigenschaften wie mechanische Festigkeit und Dehnung können in bekannter Weise über die verschiedenen Legierungstypen erreicht werden. Mit den nichtmetallischen Zusätzen können u.a. die Härte, die Steifigkeit sowie weitere Eigenschaften günstig beeinflusst werden. Bevorzugte nichtmetallische Zusätze sind keramische Werkstoffe wie Metalloxide, Metallnitride und Metallkarbide. Beispiele derartiger Werkstoffe sind Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Borkarbid, Siliziumnitrid und Bornitrid.
Grundsätzlich können Profile aus Verbundwerkstoffen so hergestellt werden, dass die Vorform bereits alle Werkstoffe in der gewünschten Form enthält. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren ist es jedoch auch möglich, der Vorform im teilfesten/teilflüssigen Zustand vor dem Eintritt in die Kokille ein Zusatzmaterial beizugeben. Dieses Zusatzmaterial kann in unterschiedlicher Form und auch in verschiedenen Aggregatszuständen zugesetzt werden. Beispielsweise kann das Zusatzmaterial der Vorform in fester Form als Draht, Fasern oder Pulver kontinuierlich zugeführt werden. Hierbei können Drähte beispielsweise in der Form von Armierungen im Profil verbleiben. In Form von Draht kann aber auch ein Werkstoff beigegeben werden, der im teilflüssigen/teilfesten Bereich aufschmilzt und dort legiert bzw. eine chemische Reaktion auslöst. Das Zusatzmaterial kann auch in flüssigem oder in gasförmigem Zustand beigegeben werden.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens gegenüber dem konventionellen Strangpressen liegt auch darin, dass Vorformen aus querschnittlich unterschiedlichen Werkstoffbereichen zusammengesetzt sein können. So ist es beispielsweise möglich, die Randzone oder auch innere Partien eines Profils mit gegenüber der Matrix anderen mechanischen Eigenschaften wie grössere Härte, Steifigkeit, Abriebfestigkeit und dgl. auszustatten.
Die Verarbeitung von Vorformen mit querschnittlich unterschiedlichen Werkstoffbereichen wird dadurch ermöglicht, dass die Vorform vor der Umformung zum Profilstrang durch eine Heizzone geführt und in der Heizzone auf ein über den gesamten Querschnitt des Profilstranges einheitliches fest/ flüssig-Verhältnis eingestellt wird. Hierzu kann in der Heizzone in Abhängigkeit von querschnittlich unterschiedlichen Werkstoffbereichen ein querschnittlich unterschiedliches Temperaturprofil eingestellt werden.
Eine zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete Vorrichtung umfasst eine gegebenenfalls beheizbare Vorformkammer zur Aufnahme der Vorform, eine an die Vorformkammer anschliessende, gegebenenfalls beheizbare Formkammer zur Umformung der Vorform zum Profilstrang, sowie eine an die Formkammer anschliessende, gekühlte Kokille zur Erstarrung des Profilstranges, wobei optional zur Endformung des Profilstrangquerschnittes unmittelbar nach der Kokille noch eine Matrize angeordnet sein kann.
Der erfindungsgemässen Vorrichtung kann zum Anlegen einer Zugkraft an den Profilstrang und damit zur Unterstützung des gesamten Pressvorgangs eine Auszieheinrichtung nachgeordnet sein. Die Auszieheinrichtung kann Greifer und/oder Antreibrollen umfassen.
Bevorzugt geht die Formkammerwand mit einer stetigen Krümmung in die Kokillenwand über, d.h. der Querschnitt der sich zum Profilstrang verformenden Vorform nimmt kontinuierlich ab.
Zur Erzeugung bzw. Aufrechterhaltung des teilfesten/teilflüssigen Zustandes der Vorform sind in der Vorformkammer und/oder in der Formkammer Heizleitungen angeordnet. Zudem ist es zweckmässig, zwischen der im allgemeinen beheizten Formkammer und der gekühlten Kokille eine Zwischenschicht aus einem wärmeisolierenden Material anzuordnen.
Zweckmässig ist zwischen der Vorformkammer und der Formkammer eine Heizeinrichtung angeordnet. Diese weist vorzugsweise individuell heizbare Durchflusskanäle für die Vorform auf.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht die Heizeinrichtung aus wenigstens zwei aneinandergereihten scheibenförmigen Heizelementen mit integrierten Heizleitern, wobei die Heizelemente einzeln regelbar sind.
Zur weiteren Abkühlung des aus der Kokille oder aus der Matrize austretenden Profilstranges ist eine Einrichtung zur Direktkühlung vorgesehen. Aus den vorstehend erwähnten Gründen wird eine Kühleinrichtung mit vollständiger Verdampfung des auf den Profilstrang aufgebrachten Kühlmittels bevorzugt.
Ein besonders bevorzugter Anwendungsbereich des erfindungsgemässen Verfahrens sowie der Vorrichtung wird in der Herstellung von Profilen mit querschnittlich unterschiedlichen Werkstoffbereichen gesehen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt schematisch in
Ein in der Zeichnung aus Gründen der besseren Uebersicht nicht wiedergegebene Strangpressanlage zur Herstellung von Metallprofilen weist gemäss Fig. 1 einen Rezipienten 10 mit einer Vorformkammer 12 zur Aufnahme von Vorformen 36 auf. An die Vorformkammer 12 schliessen sich -- in Pressrichtung x gesehen -- der Reihe nach eine Heizeinrichtung 42, eine Formkammer 14, eine Kokille 16 sowie eine Matrize 18 an.
Die Vorformkammer 12 und die Formkammer 14 sind mit Heizleitungen 20, 21 zum Beheizen der beiden Kammern 12, 14 bestückt. Die Heizeinrichtung 42 weist eine Vielzahl von parallel zur Pressrichtung x angeordneten, individuell beheizbaren Durchflusskanälen 44 zum Aufheizen der Vorform 36 zu einem Gleichgewichtszustand bezüglich des gewünschten fest/flüssig-Verhältnisses auf. Zwischen der Formkammer 14 und der Kokille 16 ist eine Zwischenschicht 15 aus einem wärmeisolierenden Werkstoff angeordnet.
Die Kokille 16 ist mit einer ersten Kühleinrichtung 24 zur indirekten Kühlung des durch Kontakt mit der Kokillenwand 26 erstarrenden Metallstranges ausgestattet. Eine zweite Kühleinrichtung 30 ist innerhalb der Matrize 18 angeordnet und dient der direkten Kühlung des aus der Matrize austretenden Profilstranges 40 durch direkte Beaufschlagung mit Kühlmittel.
Zur Herstellung von Hohlprofilen kann die Profilkammer 14 --in gleicher Weise wie beim Strangpressen -- mit einem entsprechenden Dorneinsatz versehen sein.
In der Formkammer 14 mündet ein Einführungskanal 46 zum Zuführen eines Zusatzmaterials 48 in den teilfesten/teilflüssigen Bereich. Dieses Zusatzmaterial 48 kann in fester Form als Draht, Fasern oder Pulver, in flüssigem oder auch in gasförmigem Zustand zugeführt werden.
An der Austrittsseite der Matrize 18 ist eine Auszieheinrichtung 64 angeordnet. Ueber Treibrollen 66 wird an den aus der Matrize 18 austretenden Profilstrang 40 in Pressrichtung x eine Zugkraft K angelegt. Mit dieser Massnahme wird der Pressvorgang entlastet, so dass auch bei erhöhten Presstemperaturen eine akzeptable Pressgeschwindigkeit erzielt werden kann.
Die Funktions- und Betriebsweise der vorstehend beschriebenen Anordnung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Prinzipskizze näher erläutert. Der Vollständigkeit halber sei hier noch erwähnt, dass die erfindungsgemässe Anordnung so ausgelegt ist, dass sie problemlos in eine konventionelle Strangpressanlage eingebaut werden kann.
Die Vorform 36 in der Form eines üblicherweise bereits vorgewärmten Metallbolzens wird in die Vorformkammer 12 eingeführt und über die Heizleitungen 20 weiter aufgeheizt. Ueber einen Stempel 32 mit Pressscheibe 34 wird die Vorform 36 in Pressrichtung x getrieben und innerhalb der Heinzeinrichtung 42 in den gewünschten teilfesten/teilflüssigen Zustand überführt. In der Formkammer 14 erfolgt der Hauptteil der Verformung der Vorform 36, wobei die Wand 22 der Formkammer 14 sich kontinuierlich der Einlauföffnung der Kokille 16 annähert.
Innerhalb der Kokille 16, deren Aufbau grundsätzlich demjenigen einer konventionellen Stranggiesskokille entspricht, erfolgt die Erstarrung des Metallstranges vom teilfesten/ teilflüssigen Zustand f/fl zum festen Zustand f entlang einer von der Kokillenwand 26 ausgehenden Erstarrungsfront 38. Unmittelbar am Austrittsende der Kokille 16 tritt der erstarrte Metallstrang in die Matrize 18 ein und wird dort in einer Matrizenöffnung 28 endgeformt.
Im Idealfall wird die Gestalt des Profilstranges 40 innerhalb der Kokille 16 bereits derart angenähert, dass in der Matrize 18 nur noch eine geringe Querschnittsveränderung bzw. eine schwache Umformung erfolgt, d.h. die Matrize 18 dient vorwiegend der Ausbildung einer qualitativ hochstehenden Profiloberfläche sowie der Erzeugung eines massgenauen Profilquerschnittes. Durch die direkte Beaufschlagung des aus der Matrize 18 austretenden Profilstranges 40 mit Kühlmittel aus der Kühleinrichtung 30 wird sichergestellt, dass allenfalls noch teilflüssige Anteile im Profilinneren vollständig erstarren. Der erstarrte Profilstrang 40 wird nach seinem Austritt aus der Matrize 18 von den Treibrollen 66 der Auszieheinrichtung 64 erfasst und in Pressrichtung x aus der Matrize 18 gezogen.
Als Werkstoffe für die in die Vorformkammer 12 aufzugebende Vorform 36 eignen sich neben reinen Metallegierungen auch Metalle mit metallischen oder nichtmetallischen Zusätzen, die einen höheren Schmelzpunkt als das Grundmetall aufweisen. Zu diesen Werkstoffen gehören beispielsweise partikel- oder faserverstärkte Werkstoffe mit einer Aluminiummatrix, d.h. sogenannte Metal Matrix Composites. Weitere geeignete Werkstoffe sind Legierungen -- insbesondere Aluminiumlegierungen -- im thixotropen Zustand, sowie nichtthixotrope Hartlegierungen wie beispielsweise AlMg-Legierungen, insbesondere Legierungen mit eutektischer Erstarrung.
In den Fig. 2 bis 4 sind beispielhaft verschiedene Vorformen 36 mit querschnittlich unterschiedlichen Werkstoffbereichen A,B,C,D dargestellt. Es ist ohne weiteres verständlich, dass mit diesen Vorformen Profile mit querschnittlich unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften erzeugt werden können. Mit einem an die jeweiligen Werkstoffbereiche querschnittlich angepassten Temperaturprofil innerhalb der Heizeinrichtung 42 kann erreicht werden, dass am Ausgang der Heizeinrichtung 42 in allen Werkstoffbereichen A,B,C,D ein einheitliches fest/flüssig-Verhältnis eingestellt ist.
Die Vorformen 36 können grundsätzlich bereits im teilfesten/ teilflüssigen Zustand in die Vorformkammer 12 aufgegeben werden. Wegen der einfacheren Handhabung vollkommen starrer Vorformen werden diese jedoch üblicherweise bis knapp unter die jeweils niedrigste Solidustemperatur aufgeheizt und erst innerhalb der Vorformkammer 12 und der Formkammer 14 in den gewünschten teilfesten/teilflüssigen Zustand überführt.
In der nachstehenden Tabelle sind die anhand einer Modellrechnung für eine beispielhafte Anordnung ermittelten Werte für den Druck p und den Umformungsgrad d den einzelnen Umformstationen der erfindungsgemässen Anordnung zugeordnet.
Gemäss den Fig. 5 bis 7 ist die Heizeinrichtung 42 aus einzelnen scheibenförmigen Heizelementen 50 zusammengesetzt. Diese beispielsweise aus Stahl gefertigten Heizelemente 50 weisen Durchbrüche 52 auf, die von in die Oberfläche eingearbeiteten Nuten 54 umgeben sind. Nach dem Einlegen von Heizdrähten 56 werden die Nuten 54 zugeschweisst. Fig. 7 zeigt die Aneinanderreihung von scheibenförmigen Heizelementen 50 zur Heizeinrichtung 42. Die Durchbrüche 52 der einzelnen scheibenförmigen Heizelemente 50 sind derart aufeinander abgestimmt, dass sie die durchgehenden Durchflusskanäle 44 bilden.
Fig. 8 zeigt den prozentualen Flüssiganteil des zu verarbeitenden Werkstoffes über der Länge der Heizeinrichtung 42 von Fig. 7. Durch individuelle Regelung der einzelnen Heizelemente 50 wird ein Temperaturprofil erzeugt, welches zu einem im wesentlichen linearen Anstieg des Flüssigphaseanteils führt. Bei Eintritt des zu verarbeitenden Werkstoffes in die Heizeinrichtung 42 beträgt der Anteil der flüssigen Phase beispielsweise 20%, auf der Austrittsseite der Heizeinrichtung beispielsweise 60%. Bei einer Heizleistung von etwa 1 kW pro Heizelement sind 5 bis 6 Elemente ausreichend, um den gewünschten Flüssigphaseanteil zu erzeugen.
Fig. 9 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Heizeinrichtung 42. Scheibenförmige Heizelemente 58 aus beispielsweise Bornitrid weisen in ihre Oberfläche integrierte Heizleiter 60 auf. Die Dicke der Heizelemente 58 beträgt beispielsweise 1 mm. Die einzelnen Heizelemente 58 sind durch Zwischenscheiben 62 aus beispielsweise mit Kohlefasern verstärktem Graphit voneinander getrennt. Die Heizelemente 58 und die Zwischenscheiben 62 weisen Durchbrüche 52 auf, die insgesamt die Durchflusskanäle 44 bilden. Eine derartige Heizeinrichtung kann bei Temperaturen über 1000° betrieben werden, so dass durch Wärmeabstrahlung in die Vorform 36 bereits vor deren Eintritt in die Heizeinrichtung 42 der Flüssigphaseanteil auf etwa 20% eingestellt werden kann. Darüber hinaus lässt sich mit dieser Einrichtung ein gewünschtes Temperaturprofil wesentlich rascher und präziser einstellen.