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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Profilen aus
Magnesiumwerkstoffen.
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Es
ist bekannt, daß Magnesiumwerkstoffe aufgrund
ihres geringen spezifischen Gewichtes bei gleichzeitig verhältnismäßig hoher
spezifischer Festigkeit an sich ideale Werkstoffe in Bereichen,
beispielsweise im Lichtbereich, sind, in denen es auf diese beiden
vorgen. Eigenschaften im wesentlichen ankommt. So ist auch schon
in eingeschränkter
Form Magnesium im Flugzeugbau und im Fahrzeugbau im Einsatz. Ein
wesentlicher Mangel von Magnesiumlegierungen, der einer noch intensiveren
Anwendung in diesen technischen Bereichen entgegensteht, ist der,
daß Magnesiumwerkstoffe
unzureichende Korrosionseigenschaften haben, insbesondere auch im Bereich
von Knetlegierungen. Auch die unzureichenden Fügeeigenschaften stehen einem
weiteren Einsatz u.a. auch in den vor gen. Bereichen wie dem Flugzeugbau
und dem Fahrzeugbau entgegen.
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Da
aber Magnesiumwerkstoffe nach wie vor begehrte Werkstoffe sind,
sind bis zum heutigen Tage sehr viele unterschiedliche Wege erforscht
und beschritten wurden, um Lösungsmöglichkeiten
zu suchen, die die unzureichenden Korrosionseigenschaften bei Magnesiumwerkstoffen überwinden.
So wurden bspw. mit herkömmlichen
Technologien Beschichtungen auf den Magnesiumwerkstoff aufgebracht
und es wurde versucht, bspw. durch Eingießen von Magnesium in eine Aluminiumhülle, d.h.
mittels gießtechnischer
Verfahren, endfertige Werkstücke
und Halbzeuge herzustellen. Darüber
hinaus wurden speziell für
die Anwendung auf Magnesiumwerkstoffen entsprechende Fügeverfahren
entwickelt.
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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 Hinblick
auf eine gute Korrosionsbeständigkeit
und eine gute 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.
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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 Produkte liefern kann, die am Ende des Verfahrens endfertig
bereitgestellt werden können,
wobei das Verfahren kostengünstig
durchgeführt
werden kann und somit kein Hindernis mehr darstellt im Hinblick
auf einen industriellen Einsatz, der mittels des Verfahrens hergestellter
Produkte.
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Gelöst wird
die Aufgabe gem. der Erfindung dadurch, daß ein Profilvolumen aus Magnesiumwerkstoff
im wesentlichen vollständig
mit einer Schicht aus Aluminiumwerkstoff umhüllt ist.
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Erfindungsgemäß wird somit
ein Hybridwerkstoff geschaffen, 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.
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Die
Umhüllung
des Magnesiumwerkstoffs durch den Aluminiumwerkstoff schafft im
oberflächennahen
Bereich ihrer beiden Berührungsflächen eine
Kaltlegierungsphase, die für
einen hochfesten Verbund der beiden Werkstoffe Aluminium und Magnesium
sorgt. Auch bei nachfolgenden Kalt- oder Warmverformungsvorgängen des
erfindungsgemäß hergestellten
Verbundwerkstoffs ist die Verbindung zwischen dem Aluminium und
dem Magnesium derart fest und beständig, daß kein, nicht einmal ein minimales
Lösen der
beiden Werkstoffe voneinander auftritt.
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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 Ausführungen,
in denen der Einfachheit wegen lediglich von Magnesiumwerkstoffen
und Aluminiumwerkstoffen die Rede ist.
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Der
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
liegt im wesentlichen darin, daß zum
einen schon eine hochfeste Verbindung zwischen dem Magnesiumwerkstoff
und dem Aluminiumwerkstoff geschaffen wird und andererseits der
Aluminiumwerkstoff die korrosionserhöhende Komponente des Gesamtwerkstoffs
ist, während
der Magnesiumwerkstoff die festigkeitsgewährende Komponente bei gleichzeitig
geringem spezifischen Gewicht des Gesamtverbundwerkstoffs ist.
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Aufgrund
der äußeren Beschichtung
des Magnesiumwerkstoffs mit Aluminium werden dem Gesamtwerkstoff
in bezug auf die mechanische Bearbeitbarkeit und Fügbarkeit
die vorteilhaften Eigenschaften des Aluminiums für diese Zwecke verliehen.
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Vorteilhafterweise
wird das Verfahren derart weitergebildet, indem ein Volumen aus
Magnesiumwerkstoff und ein Volumen aus Aluminiumwerkstoff zur Ausbildung
des Profiles gemeinsam durch eine Matrize, die die Form des gewünschten
Profiles bestimmt, gepreßt
wird. Gem. dieser vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt
eine Ko-Extrusion des erfindungsgemäß herzustellenden Profiles
aus Magnesium und Aluminium. Es wird also mittels eines Preßverfahrens
eine Aluminiumschicht auf das Magnesium aufgebracht, wobei durch
den Preßprozeß das Aluminium
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.
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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.
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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 Aluminiumwerkstoff, das sich in einem Hohlraum eines Rezipienten
einer Preßvorrichtung
befindet, nicht direkt auf das Volumen aus Aluminiumwerkstoff und
Magnesiumwerkstoff aufgebracht, sondern erfolgt über ein flüssiges Druckmedium und somit
ein Druck von "allen
Seiten gleichermaßen
auf das Volumen aus Magnesiumwerkstoff und Aluminiumwerkstoff zum
Durchpressen durch die Matrize der Preßvorrichturig wirkt.
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Gem.
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird vor
Ausführung
des Preßvorganges
ein blockartiges Werkstoffelement hergestellt, wobei der Kern des
Werkstoffelementes aus Magnesiumwerkstoff besteht, die Kernhülle aus
Aluminiumwerkstoff, und wobei das Werkstoffelement nachfolgend in
eine Preßvorrichtung
eingebracht und anschließend
durch die Matrize gepreßt
wird. Dabei wird die Dicke der Aluminiumhülle des Werkstoffelements und
die Menge des Magnesiumwerkstoffs im Werkstoffelement in Abhängigkeit
des beim fertigen Preß- bzw. Strangpreßprozeß erzeugten
Profiles festgelegt, d.h. die Dicke der Hülle aus Aluminium des fertigen
Gesamtprofils kann schon im Wege der Herstellung des zu pressenden
Werkstoffelementes und in Abhängigkeit
der sonstigen Preßparameter
in der Preßvorrichtung
festgelegt werden. Eine nachträgliche
Bearbeitung, jedenfalls im Hinblick auf die Dicke der Umhüllung aus
Aluminium des fertigen Profils ist normalerweise nicht erforderlich.
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Wie
vorangehend schon angedeutet, sind auch neben der geeigneten Dimensionierung
des Werkstoffelements weitere Parameter bei der Ausführung des
Preßvorganges
zu beachten, nämlich der
Druck, die Temperatur und auch die Dimensionierung des Hohlraums
im Rezipienten der Preßvorrichtung,
in der das Werkstoffelement zur Ausführung des Preßvorganges
eingebracht wird. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dabei die
Temperatur des Volumens des Magnesiumwerkstoffs und des Aluminiumwerkstoffs,
vereinigt im Werkstoffelement, beim Ausführen des Preßvorganges
im Bereich von 300° C
zu halten. Es sei aber darauf hingewiesen, daß in Abhängigkeit des gewählten Magnesiumwerkstoffs
und in Abhängigkeit
des gewählten
Aluminiumwerkstoffs einschl. seiner jeweils gewählten Legierungen und/oder
auch in Abhängigkeit
der Form des Werkstoffelementes als solchem und in Abhängigkeit
der Dicke der äußeren Aluminiumschicht
und der Menge des im Werkstoffelement 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 gewährleisten.
Der voranstehend beispielhaft angegebene Temperaturbereich soll
keine Einschränkung der
erfindungsgemäßen Verfahrensführung darauf bedeuten.
Vielmehr ist es erfindungsgemäß auch möglich, diese
bei unterhalb von 250° C
liegenden Temperaturen und auch bis höheren Temperaturen als 350° C zu betreiben
bzw. zu pressen.
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Grundsätzlich können alle
beliebigen geeigneten Preß- bzw. strangpreßgeeigneten
Profilformen gem. dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden,
d.h. im Querschnitt an sich beliebige geeignete Profile, vom einfachen
stangenförmigen
Rundprofil bis zu komplexen Profilformen, die dann schon endfertige
Produkte bilden können,
d.h. keiner Nachbehandlung mehr bedürfen.
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Diese
Profile können
vorzugsweise aber auch Halbzeuge sein, die im Nachherein noch beliebigen
geeigneten Füge- bzw. Verformungsverfahren unterworfen
werden können.
Aufgrund der festen Verbindung durch den Preßvorgang zwischen der Hülle aus
Aluminium und dem Kern aus Magnesium im Profil behalten beide Werkstoffe
ihre feste Verbindung auch beim anschließenden Verformen des Profils
uneingeschränkt
bei.
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Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nachfolgenden schematischen
Zeichnungen unter Hinweis auf diese im einzelnen beschrieben. Darin
zeigen:
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1 beispielhaft
den schematischen Aufbau einer Preßeinrichtung, mit der ein hydrostatisches
Strangpreßverfahren
ausführbar
ist, wie es bevorzugt beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird,
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2 in
einem schematischen Schnitt ein aus einem Kern aus Magnesiumwerkstoff
bestehendes Werkstoffelement, das außen wenigstens teilweise mit
einem Aluminiumwerkstoff umhüllt
ist, wie es in einem Rezipienten einer Preßeinrichtung gem. 1 in
den dortigen Hohlraum zur Ausführung
des Preßvorganges
einsetzbar ist, in gegenüber
der Darstellung von 1 sehr vergrößertem Maßstab,
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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,
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4 eine
Darstellung einer Schliffprobe des Endes des stangenförmigen Rundprofils,
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5 eine
Darstellung einer Schliffprobe des Endes eines anderen strangförmigen Rundprofils,
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6 in
vergrößerter Darstellung
einen Ausschnitt aus der Darstellung der Schliffprobe gem. 5,
den Verbindungsbereich zwischen äußerem Aluminiumwerkstoff
und innerem Magnesiumwerkstoff zeigend, und
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7 einen
gegenüber
der Darstellung von 6 nochmals vergrößerten Ausschnitt,
die Schichtgrenze zwischen Magnesiumwerkstoff und Aluminiumwerkstoff
zeigend.
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Bevor
auf das eigentliche Verfahren zur Herstellung von Profilen aus Magnesiumwerkstoff
im einzelnen eingegangen wird, wird zunächst auf die 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 Preßvorrichtung 10 hier
noch einmal kurz skizziert wird.
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Die
in 1 dargestellte Preßvorrichtung 10 umfaßt einen
Rezipienten 12, in dem ein Werkstoffvolumen bzw. ein Profilvolumen
aus Magnesiumwerkstoff 150 und Aluminiumwerkstoff 151,
das zusammen ein Werkstoffelement 21 bildet, vgl. auch 2,
eingebracht wird. Den Rezipienten 12 abschließend, in
der 1 rechts dargestellt, ist eine Matrize vorgesehen,
die entsprechend dem zu erhalten gewünschten Querschnitt des Profiles 16 geformt ist.
Der Matrize 14 im wesentlichen gegenüber, in 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 austreten
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 infolgedessen als Strang
bzw. Profi 16 durch die Matrize 14 infolge des
durch den Stempel 11 ausgeübten Druckes die Preßvorrichtung 10 verläßt.
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Mittels
der Preßvorrichtung 10 kann
ein sog. "hypostatisches" Preß- bzw.
Strangpreßverfahren ausgeführt werden.
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In 2 ist
im Längsschnitt
ein Werkstoffelement 21 in sehr viel vergrößerter Darstellung
gegenüber
der Dar stellung von 1 dargestellt, das in den Hohlraum
des Rezipienten 12 der Preßvorrichtung 10 gem. 1,
wie dargestellt, eingesetzt ist. Das Werkstoffelement 21 kann
um eine L-ängsachse 212 rotationssymmetrisch
entsprechend der Ausbildung des Hohlraums im Rezipienten 12 ausgebildet sein,
es sei aber darauf hingewiesen, daß weder das Werkstoffelement 21 noch
der Hohlraum des Rezipienten 12 rotationssymmetrisch ausgebildet
sein müssen.
Das Werkstoffelement 21, das blockartig ausgebildet ist,
besteht aus einem Kern aus Magnesiumwerkstoff 150 und aus
einer Kernhülle 211 aus Aluminiumwerkstoff 151.
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Fertigungstechnisch
kann ein derartiges Werkstoffelement 21 derart hergestellt
werden, daß bspw.
mittels spanabhebender Bearbeitung ein Kern 210 aus Magnesiumwerkstoff 150 und
die entsprechende Kernhülle 211 aus
Aluminiumwerkstoff hergestellt wird. Der Kern 211 wird
in ein entsprechendes, in der Kernhülle 211 ausgebildetes
Loch eingelassen. Kernhülle 211 und
Kern 210 bilden eine Passung, ggf. eine Preßpassung.
Sowohl die Kernhülle 211 als
auch der Kern 210 können
am zur Matrize 14 der Preßvorrichtung 10 gerichteten
Ende, in den Darstellungen von 1 und 2 rechts,
wenigstens teilweise konisch ausgebildet sein, wodurch der nachfolgende
Preßvorgang
erleichtert wird.
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Bei
einem durchgeführten
Versuch des erfindungsgemäßen Verfahrens
war der Werkstoffblock 21, der bspw. einen Außendurchmesser
von 80 mm, einen Innendurchmesser von 60 mm und eine Gesamtlänge von
310 mm aufgewiesen hatte, zur Ausführung des Preßvorganges
auf 300° C
erwärmt
worden, d.h. in der Preßvorrichtung 10,
und bspw. in ein strangförmiges
Profil 16, vgl. die 3 bis 7,
mit einem Außendurchmesser
von 25 mm gepreßt
worden. Dieses hatte einem Preßverhältnis von
ca. 1 : 10 entsprochen.
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Der
Aluminiumwerkstoff 151 hatte dabei einer Aluminiumlegierung
mit der Bezeichnung AA 6.280 entsprochen, die als schweißbare und
eloxierbare Aluminiumlegierung bekannt 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 hochfesten Magnesiumlegierung mit der Bezeichnung ZK 30 bestanden.
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Insbesondere
aus 4 und 5 und in größerem Detail aus 6 und 7,
ist der Grenzbereich zwischen der äußeren Hülle 211 aus Aluminiumwerkstoff 151 und
dem Kern 210 aus Magnesiumwerkstoff 150 ersichtlich.
Durch den Preßvorgang
in der Preßvorrichtung 10 wird
im Grenzbereich zwischen Kern 210 und Kernhülle 211 des
Werkstoffelements 21 eine intermetallische Phase beider
Werkstoffe (Aluminiumwerkstoff, Magnesiumwerkstoff) gebildet. Diese
Verbindung ist somit hochfest und bleibt auch im Zuge einer weiteren
mechanischen Bearbeitung eines erfindungsgemäß hergestellten Profiles 16 erhalten.
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- 10
- Preßvorrichtung
- 11
- Stempel
- 12
- Rezipient
- 13
- Preßscheibe
- 14
- Matrize
- 15
- Werkstoffvolumen/Profilvolumen
- 150
- Magnesiumwerkstoff
- 151
- Aluminiumwerkstoff
- 16
- Profil/Strang
- 17
- Dichtung
- 18
- Druckflüssigkeit
- 19
- Verschlußstück
- 20
- Dichtung
- 21
- Werkstoffelement
- 210
- Kern
- 211
- Kernhülle/Schicht
- 212
- Längsachse