DE1962410A1 - Verfahren zur Verformung von superplastischen Metallen - Google Patents

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maechinen Gesellschaft mbH

Böblingen, 11. Dezember 1969 ru-rz

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: Docket LE 967 060

Verfahren zur Verformung von superplastischen Metallen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verformung von superplastischen Metallen in erwärmbaren Formvorrichtungen oder Pressvorrichtungen.

Sowohl im Maschinenbau als auch in der Elektrotechnik ist es sehr oft erforderlich, daß kleine Bauteile mit einem Träger aus Metall verbunden werden müssen. Dies kann einmal dadurch geschehen, daß für die einzelnen Bauteile die entsprechend geformten Löcher in diese Platte durch Bohren oder Ätzen eingebracht werden und daß danach die Stifte durch eine Press-, Löt-, Schweiß- oder Nietvorrichtung mit der gemeinsamen Platte verbunden werden. Abgesehen davon, daß das Einbringen von Löchern für aufzunehmende Bauteile in die Grundplatte sehr zeitraubend und darüber hinaus ungenau ist, muß die Grundplatte in mehreren vorhergehenden Arbeitsschritten bearbeitet werden, wenn sie überdies noch Vertiefungen oder Erhöhungen oder verstärkte Ansätze aufnehmen soll.

Für thermoplastische Kunststoffe und für Glas sind sogenannte Streck- oder Spannungs-Verformungsverfahren bekannt geworden. Dabei wird eine Form verwendet, die praktisch eine zu dem her» zustellenden Erzeugnis komplementäre Gestalt hat«. Das zn ver-

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formende Material wird dabei in diese Form eingelegt und die Deformationskraft wird angelegt, die ein Strecken bzw. Deformieren des Materials bewirkt und das Material in die z.T. kompliziert geformte Oberfläche der Form presst. Ein zusammenfassender Bericht über diese Verfahren ist in dem Artikel "Thermoforming Today" von Lowell L. Scheiner, Plastics Technology, Band 10, Nr. 8, August 1964, Seiten 45 bis 56 gegeben.

Außerdem ist in dem Artikel ¹¹A Review of Superplasticity and Related Phenomena" von Ervin E. underwood, Journal of Metals, Dezember 1962, Seiten 914 bis 919 ein Effekt behandelt, der in neuerer Zeit der Superplastizitäts-Effekt von Metallen genannt wird. Diese Erscheinung wurde bereits vor über 40 Jahren beobachtet und tatsächlich während der vergangenen 10 Jahre eingehend untersucht. Dehnungen in der Größenordnung von 600 % wurden bei Versuchen beobachtet, was ein Zeichen von einem hohen Grad von Plastizität ist. Es wurde deshalb vorgeschlagen, mit Hilfe dieser superplastischen Metalle komplizierte Gehäuse von Maschinen herzustellen, indem man eine Negativform des Gshäiisss herstellt und dao superplastische Material in diese drückt * Be-jor das superplastische Material in die Form gedrückt wird * wild ee entweder außerhalb oder innerhalb der Form gleichmäßig erwärmt, um in den superplastischen Zustand zu gelangen. Bei Versuchen hat es sich nun herausgestellt, daß bei der gleichmäßigen Erwärmung der superplastischen Ausgangsmetallplatte an den Ecken und Kanten das Material mehr gedehnt wird als an glatten Flächen. Dadurch entsteht der wesentliche Nachteil, daß das fertiggeformte Werkstück im Endzustand keine gleichmäßige Wandstärke aufweist, sondern daß verschieden dicke Wandstärken vorhanden sind, die einmal Spannungen in dem Werkstück hervorrufen und zum anderen die Festigkeit des Werkstücks wesentlich beeinflussen. Außerdem hat e3 sich herausgestellt, daß die superplastische!! Legierungen nicht In allen Phasen des UmwandlungspiK^essss konstant sind. Außerdem ?:arm durch di@" Eigenechaftsn eines Eutektoiäs, hervorgerufen bsi relativ rassher teein© e-seßs Korngröße des Matesricils ■asseisht werden.

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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verformung von superplastischen Metallen in heizbaren Pressoder Formvorrichtungen zu schaffen, das es ermöglicht, daß einmal eine größere Korngröße erreicht wird und damit eine größere Festigkeit und zum anderen die Ausnutzung der einzelnen Phasen des Eutektoids beim Bxwärmen ausnutzt, um eine bestimmte Festigkeit und ein bestimmtes Gefüge der ausgeformten Gegenstände zu erhalten.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren, das dadurch charakterisiert ist, daß der Rohling aus superplastischem Metall auf eine Temperatur unmittelbar unterhalb der kritischen Temperatur für das jeweilige superplastische Metall gebracht wird, daß nach dem Einlegen des Rohlings in die Form die Form auf eine Temperatur gebracht wird, die die gewünschte kritische Temperatur des superplastischen Metalls ermöglicht und daß danach der Rohling durch Vakuum oder Druck gegen die Pressform gedrückt wird, um das gewünschte Teil zu formen.

Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin_? äsß durch die genaue Erwärmung bis kurz unterhalb der kritischen Temperatur für das jeweilige superplastische Material der Formprozeß wesentlich genauer wird, daß er wesentlich schneller verläuft und daß das Gefüge und die Festigkeit des ausgeformten Werkstücks gegenüber Werkstücken, die nach den bisherigen bekannten Methoden aus superplastischen Metallen geformt wurden, verbessert werden.

Die Erfindung wird nun anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

In den Zeichnungen bedeuten:

Fig. 1 eine teilweise geschnitte Pressform;

Fig. 2 eine geschnitte Frontansicht der Pressform mit einem Docket LE 967 060 0 0 9 8 2 7/1307

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- 4 in der Form geformten Teil und

Fig. 3 ein Phasen-Diagramm zur Veranschaulichung eines eutektischen Phasenphänomens,das in einem Zink-Aluminium-Eutektoid vorkommt.

In den Fign. 1 und 2 ist eine Pressform zu sehen, die aus einem Unterteil IO besteht, die eine Höhlung 11 aufweist, die komplementär zu der Form ist, die das gewünschte Teil P nach dem Formvorgang haben soll. Zum Auswerfen des fertig geformten Teils P ist ein Auswurfstift 12 in dieser Form angeordnet. Außerdem sind in der Grundplatte 10 Heizungsvorrichtungen, z.B. in Form von elektrischen Widerstands-Heizkörpern, vorhanden. Diese Heizkörper 13 sind in einem Abstand 14 innerhalb der Grundplatte 10 von der Formhöhlung 11 angeordnet, Wenn z.B. die Grundplatte 10 aus Stahl besteht und das zu formende Material aus einem Zink-Aluminium-Eutektoid, dann wird die Wandstärke bzw. der Abstand 14 durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der die Wärme von den Heizkörpern

13 zu dem Teil P, das geformt werden soll, übertragen werden kann. Wenn z.B. die Leitfähigkeit in der Zink-Aluminium-Legierung viermal schneller als im Stahl ist, dann kann der Abstand

14 als Kontrollorgan für die Geschwindigkeit der Temperatur, die die äußere Oberfläche des zu formenden Teils P annimmt, dienen. Zur Zuführung des erforderlichen Stromes sind die Heizkörper 13 mit einem Kabel 15 verbunden.

Die Form besteht weiterhin aus einer oberen Platte 16, die die Formhöhlung 11 abschließt und eine öffnung 17 enthält, durch die das zn formende superplastische Material P' in die Form eingeführt werden kann. Es soll noch erwähnt sein, daß auch die obere Platte 16 mit Heizkörpern versehen werden kann wie es im Zusammenhang der unteren Platte 10 der Form gezeigt und beschrieben wurde, insbesondere kann dies geschehen, wenn sehr große Teile zu formen sind. Bei besonders langen Formprozessen kann die obere Platte 16 außerdem zur besseren Wärmeisolierung mit einem Isoliermaterial versehen sein. Docket LE 967 060 0 0 9 8 2 7/1307

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Während des Betriebs der Pressvorrichtung ist die obere Platte 16 mit der unteren Platte 10 der Pressform fest verbunden und das superplastische Material P¹ wird über die Öffnung 17 in die Form eingeführt. Vorher wird das superplastische Material aus dem der Gegenstand geformt wird, auf eine Temperatur vorgewärmt, die ein wenig unterhalb der Formtemperatur des Materials liegt. Wird z.B. als superplastisches Material eine Zink-Aluminium-Legierung verwendet, die eine kritische Formtemperatur von ca. 25O°C hat, dann wird das zu formende superplastische Material P¹ bis ca. 2 % unterhalb der Formtemerpatur erhitzt, d.h. ca. zwischen 235 und 245°. Danach wird auf das zu formende superplastische Material P' ein Kolben 18 abgesenkt, der durch den Druck das superplastische Material deformiert und in die Höhlung 11 der Pressform drückt. Die Formzeit wird dabei so gewählt, daß eine komplette Ausformung aller auszuformenden Teile des zu formenden Werkstücks erfolgt. Das Werkstück bzw. das Teil P wird dann noch eine kurze Zeitdauer in der Höhlung 11 der Pressform gelassen, um eine komplette Ausformung des superplastischen Materials zu erreichen. Danach wird der obere Teil 16 der Pressform abgenommen und das Werkstück P kann durch den Auswurfstift 12 aus der Form ausgeworfen werden. Wenn wie im vorliegenden Beispiel eine Zink-Aluminium-Legierung verwendet wird, dann kann das ausgeworfene Werkstück direkt langsam durch Luft abgekühlt werden oder unter kontrollierten Bedingungen in einem Wärmeofen, um die Korngröße zu erhöhen und um die Phasenumwandlung der Legierung, die den Gleichgewichtszustand des Eutektikuras hervorruft, zu ermöglichen.

Die Eigenschaften des Materials, das sich zur Verwendung als Ausgangsrohling P* eignet, sind anhand eines Zink-Aluminium-Phasendiagramms in Fig. 3 gezeigt. Dieses Diagram zeigt auch die typischen Gleichgewichtsphasen-Beziehungen, die für ein Eutektoid charakteristisch sind. Dieses hier verwendete spezifische Eutektoid hat eine kritische Phasenumkehr bei einer eutektischen Invariante von ca. 25O°C und eins eehr feste Phase tC' bis am einer Temperatur von 385°, Pi® JL Phase hat ein« FeetigkeIt»-Charakteristik, öle in etwa cten konventionellen Docket LE 967 060 0 0 9 S 2 7 / 1 3 0 7

Metallen entspricht, währenddem die Festigkeit des Materials unmittelbar unter der eutektischen Invariante anormal niedrig ist, wenn es sich in einem vorbestimmten Zustand befindet.

Anhand der Pign. 4 und 5 wird die Phasenumwandlung für dieses Material mit Hilfe eines Experimentes gezeigt. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, sind Zylinder S aus abgekühlter 78 %iger Zink und 22 %iger Aluminium-Legierung zwischen Heizplatten 21 und 28 gebracht. Außerdem sind zwischen den Platten 21 und 22 Abstandsbolzen 23 aus Stahl angeordnet, um eine Deformation des zwischen den beiden Platten liegenden Zylinders S zu vermeiden. In der Mitte des Zylinders S wurde ein Thermoelement 24 angebracht und damit wird der Temperaturwechsel für eine Zeit, während der der Zylinder S von der unteren kritischen superplastischen Temerpatur zur oberen aufgeheizt wurde, aufgezeichnet.

Die Plattentemperatur wurde zwischen 260 und 310° variiert, um verschiedene Tests durchzuführen und charakteristische Kurven wie z.B., öi© Kurve S. in Fig. 5 aufzuzeichnen. Es wird bemerkt, tlai <Vms Tespcsatumwandliingspunkt S₂ ein wesentlichicher Teil dieser Tempe?atur&nsti@gg&urve ist. Die folgenden Daten zeigen die Höhe «äiesQS Seitjsasaturumwandlungspunkts relativ zur Plattentemperatur für einen einzulegenden Körper S, der eine zylindrische Form mit einem Durchmesser von ca. 50mm und einer Höhe von ebenfalls ca. 50mm hat.

Plattentemperatur Dauer des thermischen Haltepunkts

310 - 315°C 30

285 - 288°C 45-50

265 - 266°C , 270

Im nachfolgenden wird ein Eeispiel beschrieben, wobei ein Teil, das in Fig. β dargestellt ist, mit Hilfe der vorliegenden Erfindung geformt wurde. Das in Fifo € gezeigte Sahnrad hat einen Durchmesser 31, eine Stärke 32 a»?. eiae greets Länge 33 der Nabe» Bs wircl angeiioMnan _f daß fii-SFSs Sabroad ©to Ssssss 1,7? 9 nafe, Der Rohlinsi fiss AaGeiasfsm&tQrAals 1st eine

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Scheibe mit einem Durchmesser von ca. 65mm, einer Dicke von ca. 12mm und einer Bohrung von einem Durchmesser von ca. 8mm. Dieser Rohling wird nun durch Homogenisierung bei ca. 280° ca. eine Stunde vorbereitet und dann mit Wasser abgekühlt. Dadurch wird die untere Temperatürkurve erreicht. Der Rohling wurde während der Zeit der Formung bis zu 235° vorgewärmt, das ca. 2 Minuten dauerte. Außerdem wurde die eigentliche Form -aus Stahl auf eine Temperatur von 290° bis 300°C erwärmt. Danach wird der vorgewärmte Zylinder oder Rohling in die Form eingelegt und durch Anwendung von Druck geformt. Das geformte Teil wird nach dem Formprozeß ausgestoßen und durch Luftkühlung abgekühlt, wie es bereits beschrieben wurde.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 7 dargestellt. Eine Pressform 40 wird dabei auf die obengenannte kritische Temperatur des Ausgangsmaterials B durch Heizstäbe 41 gebracht. Durch Anlegen eines Vakuums über eine Vorkammer 42 wird ein Unterdruck in der Form erzeugt, der entgegengesetzt auf die entgegesetzten Oberflächen B und B des eingelegten Rohlings B wirkt, wodurch dieser deformiert wird und sicfe der Form anpasst. Nach der Formung kann das geformte TiI ebenfalls wieder durch ein Auswurfstift oder durch andere bekannte Mittel aus der Form entfernt werden.

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Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Verfahren zur Verformung von superplastischen Metallen in erwärmbaren Formvorrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling aus superplastischem Metall auf eine Temperatur unmittelbar unterhalb der kritischen Temperatur für das jeweilige superplastische Metall gebracht wird, daß nach dem Einlegen des Rohling in die Form die Form auf eine Temperatur gebracht wird, die die gewünschte kritische Temperatur des superplastischen Metalls ermöglicht und daß danach der Rohling durch Vakuum oder Druck gegen die Pressform gedrückt wird, um das gewünschte Teil zu formen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling^, insbesondere aus einer eutektischen Legierung, bestehend aus 78 Gewichtsprozent Zink und 22 Gewichtsprozent Aluminium, vor dem eigentlichen Formprozeß und Vorerwänaungsprozeß zylindrisch geformt wird.
3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallrohling vor dem eigentlichen Formprozeß bis kurz unterhalb der kritischen Temperatur für das verwendete superplastische Metall, insbesondere bis zu 2 % unterhalb der kritischen Temperatur gebracht wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgeformte Werkstück nach dem unmittelbaren Formproieß noch eine bestimmte Zeit in der Form gelassen wird, um eise totale Umwandlung und Ausformung des Rohling entsprechend der Form zu gewährleisten.

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