DE4111509A1 - Verfahren zum herstellen von strangpressprofilteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung befrifft ein Verfahren zum Herstellen von Strangpreßprofilteilen mit hoher Oberflächenverschleißfestig­ keit.

Metallische Strangpreßprofilteile, beispielsweise Langfa­ brikate, werden im allgemeinen aus relativ weichen Knetlegierun­ gen wie Leichtmetallen, z. B. Aluminium, Kupfer usw., im Strang­ preßverfahren bei erhöhter Temperatur hergestellt.

Für einige Anwendungsfälle, beispielsweise als Raupenprofi­ le und insbesondere Pistenraupenprofile, als Führungsschienen und Rohre, Hebel, Achsen und Trittleisten auf dem Gebiet der Kettenfahrzeuge und sonstiger Nutzfahrzeuge, auf dem Gebiet des Maschinenbaus und des Motorenbaus sowie als verschleißbe­ anspruchte Bauteile im Bauwesen und im Turbinen- und Ventilator­ bau weisen derartige Strangpreßprofilteile eine zu geringe Ver­ schleißbeständigkeit auf.

Um derartige Produkte an ihrer Oberfläche zu härten, werden üblicherweise chemische oder physikalische Verfahren wie bei­ spielsweise Anodisationsverfahren, galvanische Beschichtungsver­ fahren, Plasmasprühverfahren, physikalische und chemische Be­ dampfungsverfahren und Pulverbeschichtungsverfahren angewandt.

Weiterhin ist es bekannt, derartige Strangpreßprofilteile massiv, d. h. vollständig aus Aluminiumlegierungen, die homogen mit feinen Keramik- oder Glasteilchen durchsetzt sind, d. h. aus teilchenverstärkten Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffen herzu­ stellen, die gegenüber anderen Metallen, Kunststoffen, Gläsern und natürlichen sowie technischen Keramiken eine hohe Ver­ schleißfestigkeit haben. Derartige Aluminiummatrix-Verbundwerk­ stoffe haben gleichfalls eine hohe Beständigkeit gegenüber einer erosiven Beanspruchung durch verschiedenste Stoffe.

Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe, die weiterhin mit Kohle­ oder Graphitteilchen bzw. Kohle- oder Graphitkurzfasern versetzt sind, haben darüber hinaus gute Gleiteigenschaften. Die Ver­ schleißfestigkeit bzw. diese Gleiteigenschaften können auf den Verschleißpartner einerseits durch die Wahl der in die Alumini­ ummatrix eingebetteten Komponente abgestimmt werden und können andererseits durch eine entsprechende Einstellung der Größenver­ teilung und der Form der Verstärkungskomponente gewählt werden.

Teilchenverstärkte Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe errei­ chen jedoch im allgemeinen nicht die hohen mechanischen Kenn­ werte hoch und höchst fester Aluminiumlegierungen, sie haben eine geringere Duktilität und Bruchzähigkeit sowie eine vermin­ derte thermische und elektrische Leitfähigkeit.

Es ist weiterhin bekannt, Langfabrikate aus Werkstoffver­ bunden durch Koextrusion der zu verbindenden Werkstoffe zu er­ zeugen.

Die Verfahren der Beschichtung von Metallprofilteilen mit anderen Stoffen, insbesondere mit chemischen Verbindungen kera­ mischer Art liefern Produkte, die spröde und gegenüber schlag­ artigen mechanischen Beanspruchungen und gegenüber plastischen Verformungen empfindlich sind. Die im allgemeinen stark unter­ schiedlichen Temperaturausdehnungs-Koeffizienten der beteiligten Materialien, d. h. des metallischen Körpers einerseits und der Beschichtung andererseits, führen darüber hinaus bei Temperatur­ schwankungen zu hohen lokalen mechanischen Spannungen und damit oftmals zum Abplatzen der Beschichtung.

Da jedes Beschichtungsverfahren einen zusätzlichen Herstel­ lungsschritt darstellt, der im allgemeinen kostenintensiv ist, ist die Beschichtung der Metallkörper zur Erzielung bestimmter Oberflächeneigenschaften darüber hinaus vom ökonomischen Stand­ punkt aus ungünstig.

Mechanische Nachbearbeitungen an beschichteten Produkten sind weiterhin nur sehr begrenzt möglich, da die Schichtdicken infolge der Auftragsverfahren und der Haftungsgrenzen auf Gro­ ßenordnungen von 1/10 mm beschränkt sind.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, ein Verfahren zum Herstellen von Strangpreßprofilteilen mit hoher Oberflächenverschleißfestigkeit zu schaffen, mit dem Strangpreßprofilteile mit einerseits hohen mechanischen Kenn­ werten und andererseits mit den gewünschten Oberflächeneigen­ schaften in einem Arbeitsgang hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Verbundstrangpreßbolzen aus einem Bolzenkern in Form eines monolithischen Metallkörpers und wenigstens einem in den Bolzen­ kern eingebetteten Metallmatrix-Verbundkörper gebildet und an­ schließend wärmebehandelt und stranggepreßt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die gewünschte Oberflächenverschleißfestigkeit dadurch erzielt, daß beim Strangpressen des Verbundstrangpreßbolzens eine Oberflächen­ schicht aus dem Material des Metallmatrix-Verbundkörpers ausge­ bildet wird. Das erfolgt im Arbeitsgang des formgebenden Strang­ pressens, ohne daß nach dem Stranggpressen ein zusätzlicher Herstellungsschritt erforderlich ist.

Besonders bevorzugte Ausbildungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 7.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verbundstrang­ preßbolzen zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gemaß Anspruch 8.

Im folgenden werden an Hand der zugehörigen Zeichnung be­ sonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt Längsschnitt-Ansich­ ten von verschiedenen Strangpreßbolzen zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie Profil-Querschnittsansichten der mit diesen Strangpreßbolzen hergestellten Profilteile.

Wie es in der Zeichnung dargestellt ist, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen von Strangpreßprofil­ teilen aus Leichtmetallegierungen, beispielsweise aus Alumini­ umlegierungen zunächst Verbundstrangpreßbolzen (1) hergestellt, die je nach den geometrischen und mechanischen Anforderungen der Endprodukte, beispielsweise aus einem Bolzenkern (2) in Form eines monolithischen Metallkörpers aus einer herkömmlichen Knet­ legierung, der den Profilkörper (3) bildet, beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung des Typs 1xxx, 2xxx, 3xxx, 5xxx, 6xxx, 7xxx und einem Matrixmetall-Verbundkörper (4) bestehen, der in den Bolzenkern eingebettet ist und aus einem Matrix-Verbundwerk­ stoff, beispielsweise einem Aluminiummatrix-Verbundwerkstoff besteht, der die für das fertige Produkt gewünschten Oberflä­ cheneigenschaften hat. Der Metallmatrix-Verbundwerkstoff kann keramische Verstärkungen oder Graphitverstärkungen in Teilchen­ oder Kurzfaserform enthalten.

Die Teile des Strangpreßbolzens, d. h. der Kern (2) sowie der Verbundkörper (4) werden getrennt gefertigt und so zusammen­ gefügt, daß der kombinierte Verbundstrangpreßbolzen (1) wärmebe­ handelt und in eine herkömmliche Strangpreßanlage eingebracht werden kann. Durch den Strangpreßvorgang, der dem normalen Strangpressen für Profilteile aus monolithischen Knetlegierungen entspricht, ergibt sich ein Endprodukt, d. h. ein Profilteil mit der in der Zeichnung dargestellten örtlichen oder peripheren Randverstärkung (5). Dabei wird die sogenannte tote Zone vor dem Strangpreßwerkzeug ausgenutzt, in der der Randbereich des Strangpreßbolzens sich verwirbelt und staut, so daß sein Materi­ al über dem Strangpreßprofilteil verschmiert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren liefert somit Strangpreß­ profilteile, deren Oberflächen durch den Aluminiummatrix-Ver­ bundwerkstoff vollständig oder an bestimmten Bereichen ver­ schleißfest sind, wobei die Eigenschaften des tragenden Profil­ kerns aus der rein metallischen Legierung insbesondere seine mechanischen Eigenschaften dem Endprodukt, d. h. dem gebildeten Profilteil erhalten bleiben.

Das Strangpressen des Strangpreßbolzens aus den wenigstens zwei Werkstoffen, die den Kern und den wenigsten einen Verbund­ körper bilden, erfolgt direkt oder indirekt. Die geometrische Form dieses Verbunds richtet sich nach der Strangpreßtechnik, der Werkzeugart und -form, der Fließfähigkeit der Werkstoffe und der gewünschten geometrischen Form der Oberflächenbereiche, die die gewünschten Eigenschaften zeigen.

Die erzielbaren Schichtdicken sind dabei unbegrenzt und können den gesamten Querschnitt erfassen oder nur 1/10 mm stark sein. Die Oberflächenschichten können entlang des Umfanges eines Profils auch von 0 bis 100% des Querschnitts variieren.

Da die Oberflächen- oder Verstärkungsschicht aus einem dem Werkstoff des Kernes angepaßten metallischen Matrix-Verbundwerk­ stoff mit dem Kern während des Strangpreßvorganges verschwei­ ßen, können mechanische Spannungen an der Grenzfläche abgebaut werden und kann somit ein Abplatzen der Oberflächenschicht bei einer mechanischen und/oder thermischen Belastung vermieden werden. Das Material der Oberflächenschicht liefert darüber hinaus eine ausreichende Duktilität für eine weitere Verformung oder Schlagbeanspruchung des Profilteils.

Wie es in der Zeichnung dargestellt ist, kann die Oberflä­ chenschicht bei Hohlkammerprofilen sowohl innen als auch außen angebracht werden. Sie erhöht die Verschleißfestigkeit gegenüber allen Materialien, vermindert lokal die Wärmeausdehnung (je nach Schichtstärke) und erhöht die Steifigkeit des Profils, insbeson­ dere wenn Sie an der Außenseite angebracht ist. Weiterhin wird der Rißfortschritt durch die Verstärkungsschicht verzögert.

Wie es weiterhin im einzelnen in der Zeichnung dargestellt ist, können ein oder mehrere Verbundkörper in den Bolzenkern des Verbundstrangpreßbolzens eingebettet sein. Je nach Form des zu erzielenden Profilteils und der daran vorgesehenen Oberflächen­ oder Verstärkungsschicht kann der Verbundkörper über einen vor­ deren Teil in Axialrichtung, beispielsweise mit einer abschlie­ ßenden Stirnscheibe vorgesehen sein, wie es bei den von oben ersten beiden Beispielen in der Zeichnung der Fall ist, können mehrere ringförmige Verbundkörper zur Bildung von Innen- und Außenschichten bei Hohlprofilteilen vorgesehen sein, wie es beim dritten Beispiel von oben der Fall ist, kann ein achszentraler Verbundkörper koaxial über eine bestimmte Strecke zur Bildung eines innen verstärkten Hohlprofils in den Bolzenkern eingebet­ tet sein, wie es beim vierten Beispiel von oben der Fall ist, oder können ein oder mehrere Verbundkörper über bestimmte Strec­ ken in axialer Richtung über einen bestimmten Bereich des Quer­ schnittes des Verbundstrangpreßbolzens vorgesehen sein, wie es bei den beiden letzten Beispielen der Fall ist.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren können serienmäßig Verbundstrangpreßprofilteile ohne zusätzliche nachträgliche Beschichtung und damit kostengünstig hergestellt werden. Die hohe Verschleißfestigkeit in Verbindung mit den leichten Werk­ stoffen des Kernes der Profile verlängert deren Einsatzdauer und vermindert deren bewegliche Masse und somit den Energieverbrauch beim bestimmungsgemäßen Einsatz. Durch die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der Metallmatrix-Verbundwerkstoffe der Verstärkungs- oder Oberflächenschichten wird das Eigen­ schaftsprofil der gebildeten Strangpreßprofilteile verbessert.

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen von Strangpreßprofilteilen mit hoher Oberflächenverschleißfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verbundstrangpreßbolzen aus einem Bolzenkern in Form eines monolithischen Metallkörpers und wenigstens einem in den Bolzenkern eingebetten Metallmatrix-Verbundkörper gebildet und anschließend wärmebehandelt und stranggepreßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzenkern aus einer Knetlegierung gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Metallmatrix-Verbundkörper aus einem Aluminiumma­ trix-Verbundmaterial gebildet wird, das aus einer Aluminiumle­ gierung besteht, der homogen feine Glas- oder Keramikteilchen zugesetzt sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Aluminiummatrix-Verbundmaterial Kohle- oder Graphitteilchen oder-kurzfasern zugesetzt sind.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Metallmatrix-Verbundkörper örtlich begrenzt an der in Strangpressrichtung vorderen Stirnseite des Verbundstrangpreßbolzens vorgesehen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Metallmatrix-Verbundkörper im Ab­ stand voneinander in axialer Richtung des Verbundstrangpreßbol­ zens vorgesehen werden.

7. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Metallmatrix-Verbundkor­ per so vorgesehen wird, daß er nur einen Teil der Querschnitts­ fläche des Verbundstrangpreßbolzens einnimmt.

8. Verbundstrangpreßbolzen zur Verwendung bei dem Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Bolzenkern in Form eines monolithischen Metallkörpers und wenigstens einen, in den Bolzenkern eingebetteten Metallmatrix-Verbundkörper, der aus einem Material besteht, das eine hohe Verschleißfestigkeit hat.