AT504923A1

AT504923A1 - Verbundgussteil

Info

Publication number: AT504923A1
Application number: AT0029807A
Authority: AT
Inventors: Konrad Dipl Ing Papis; Joerg Dr Loeffler; Peter Dr Oggowitzer; Werner Dipl Ing Fragner; Helmut Dr Kaufmann
Original assignee: Arc Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen Gmbh
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2008-09-15
Also published as: AT10478U1

Description

1

Verbundgussteil

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundgussteiles, wobei eine Schmelze aus Aluminium oder Magnesium oder einer Basislegierung dieser Metalle mit 5 einem festen Körper aus Aluminium oder einer Aluminiumbasislegierung in einem Fügebereich in Kontakt gebracht und erstarren gelassen wird.

Weiter betrifft die Erfindung einen Verbundgussteil. 10 Ein aktueller Trend in der Kraftfahrzeugtechnologie besteht im Ersetzen von

Stahlkomponenten durch Komponenten aus Leichtmetall. Durch Substitution schwerer Teile durch leichtgewichtigere soll ein geringeres Gewicht von Kraftfahrzeugen erreicht werden, was letztlich auch zu einem reduzierten Energieverbrauch beim Betreiben von Kraftfahrzeugen führen soll. 15

Bei den Bestrebungen, möglichst leichtgewichtige Bauteile einzusetzen, darf nicht außer Acht gelassen werden, dass die Stahlteile substituierenden Teile aus Leichtmetall auch bestimmten Anforderungsprofilen genügen sollen, beispielsweise hinreichende mechanische Eigenschaften aufweisen müssen, um ersatzweise eingesetzt werden zu 20 können.

In diesem Zusammenhang liegt ein Hauptaugenmerk auf einer Herstellung von Leichtmetallbauteilen im Verbundguss. Verbundguss ist ein Prozess, bei dem zwei metallische Werkstoffe, einer davon fest, der andere flüssig, so in Kontakt gebracht 25 werden, dass sich eine Diffüsions- bzw. Reaktionszone bildet und ein kontinuierlich metallischer Übergang von einem Metall zum anderen entsteht. Die Bedeutung von Verbundgussteilen aus Leichtmetailen liegt insbesondere darin, dass es möglich ist, einen Bauteil je nach lokal zu erwartender mechanischer, thermischer oder anderer Beanspruchung in seiner Zusammensetzung und seinen Eigenschaften bereichsweise 30 optimal abzustimmen. Anders ausgedrückt kann auch gesagt werden, dass Verbundguss einen strukturierten Aufbau von Bauteilen ermöglicht, so dass sich an jeder Position das jeweils am besten geeignete Material befindet.

NACHGEREICHT 2

Bei der Herstellung leichtgewichtiger Bauteile im Verbundguss ist man interessiert, Substrate bzw. Körper aus Aluminium oder einer Aiuminiumbasislegierung mit Schmelzen aus Aluminium, Magnesium oder einer Basislegierung eines dieser Metalle zu paaren. Dabei tritt allerdings das Problem auf, dass Körper aus Aluminium bzw. einer 5 Aiuminiumbasislegierung an ihrer Oberfläche auf Grund der hohen Affinität von Aluminium zu Sauerstoff stets eine zumindest einige Nanometer dicke Schicht von Aluminiumoxid tragen. Diese Aluminiumoxidschicht verhindert Benetzung sowie eine Anbindung der metallischen Schmelze bzw. des Fügepartners und führt dazu, dass im Fügebereich keine durchgehende metallische Bindung ausgebildet wird. 10

In Folge der vorstehend dargelegten Problematik kommt es oftmals zur Ausbildung einer inhomogenen Fügezone mit verringerter Festigkeit und Duktilität, einer schlechten Wärmeleitfähigkeit und unbefriedigendem Kontakt zwischen den Fügepartnem. Die Fügezone ist quasi das schwächste Glied in der Kette und kann in einem Bauteil, 15 beispielsweise einer Rahmenkonstruktion, Ausgangspunkt für ein Materialversagen sein.

Die Erfindung setzt sich nun zum Ziel, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das eine Herstellung eines Verbundgussteiles mit verbesserter Fügezone ermöglicht. 20

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Verbundgussteil mit verbesserter Fügezone anzugeben.

Das verfahrensmäßige Ziel der Erfindung wird erreicht, wenn ein gattungsgemäßes 25 Verfahren folgende Schritte beinhaltet: a) wahlweise mechanisches Abtragen von Aluminiumoxid im Fügebereich des festen Körpers, b) Behandeln des Fügebereiches des festen Körpers mit einer Zinklösung, um eine zinkhältige Schicht zu erhalten, 30 c) Abscheiden einer weiteren metallischen Schicht auf der zinkhältigen Schicht, wobei die weitere metallische Schicht aus einem Metall oder einer Legierung gebildet ist, das bzw. die sich im festen Körper und/oder in der Schmelze zumindest teilweise lösen kann, ohne intermetallische Phasen auszubilden, die unterhalb der Schmelz- bzw. Solidustemperaturen des festen Körpers und der Schmelze erstarren,

NACHGEREICHT 3 d) Kontaktieren des festen Körpers mit Schmelze im Fügebereich und Erstarrenlassen der Schmelze.

Die Vorteile eines erfindungsgemäßen Verfahrens sind insbesondere darin zu sehen, 5 dass eine zumindest weitgehend defektfreie Fügezone zwischen den Fügepartnem, also dem festen Körper und der erstarrenden Schmelze, ausgebildet wird. Durch das vorgesehene Behandeln des Fügebereiches, das ist jene Oberfläche des festen Körpers, die mit der Schmelze in Kontakt gebracht werden soll, mit einer vorzugsweise basischen Zinklösung wird das anhaftende Aluminiumoxid entfernt und statt diesem eine 10 durchgehende Zinkschicht ausgebildet.

Wie die Erfinder erkannt haben, ist eine solche nasschemisch abgeschiedene Zinkschicht alleine noch nicht ausreichend, um die gewünschte Anbindung der Schmelze in jedem Fall sicherzustellen, da bei Erwärmen des festen Körpers vor einem Angießen das Zink in 15 das Substrat bzw. den festen Körper diffundieren kann. In diesem Fall wird der Körper aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung nicht mehr geschützt und es bildet sich im Fügebereich wiederum, noch vor einem Angießen, Aluminiumoxid. Erfindungsgemäß ist daher in einem weiteren Schritt vorgesehen, dass auf der Zinkschicht eine weitere metallische Schicht abgeschieden wird. Diese Schicht ist aus einem Metall oder einer 20 Legierung gebildet, das bzw. die sich im festen Körper und/oder in der Schmelze zumindest teilweise lösen kann, ohne intermetallische Phasen auszubilden, die unterhalb der Schmelz- bzw. Solidustemperaturen des festen Körpers und der Schmelze erstarren. Einerseits ist durch eine Randlöslichkeit des Metalls bzw. der Legierung eine Diffusion ermöglicht, welche die gewünscht gute Anbindung unterstützt. Andererseits ist vermieden, 25 dass es in der Fügezone zuletzt zu einer Erstarrung kommt. Letzteres würde auf Grund einer einhergehenden Volumenverminderung zu enormen Spannungen und, wie Experimente gezeigt haben, zu Rissen in der Fügezone führen.

In Bezug auf einen Fügepartner geeignete Metalle für die zweite metallische Schicht 30 lassen sich für den Fachmann ohne weiteres aus wohlbekannten binären

Phasendiagrammen ablesen, wie sie Standardwerken (beispielsweise M. Hansen, Constitution of Binary Alloys McGraw-Hill, New York, 2"“ edition, 1958 oder W. G. Moffatt, The handbook of binary phase diagrams, Schenectady, New York, 1984), entnehmbar sind.

NACHGEREICHT

4

In einem letzten Schritt erfolgt ein Kontaktieren des festen Körpers mit Schmelze im Fügebereich und Erstarrenlassen der Schmelze, wobei eine im Wesentlichen defektfreie Fügezone ausgebildet wird. 5 Optional kann auch ein mechanisches Abtragen von Aluminiumoxid im Fügebereich des festen Körpers vor einer Abscheidung der metallischen Schichten vorgesehen sein. Dies ist insbesondere empfehlenswert, wenn als Substrat bzw. fester Körper ein gewalzter Teil aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung eingesetzt wird, da in diesem Fall eine Dicke der Aluminiumoxidschicht im Vergleich mit einer natürlichen Dicke bei einem nicht 10 gewalzten Teil vergrößert sein kann. Auch eine chemische Behandlung, z.B. mit Natronlauge, kann diesbezüglich vorgesehen sein.

Die durch Behandeln des Fügebereiches mit einer beispielsweise basischen Zinklösung erhaltene Zinkschicht wird im Rahmen der Erfindung bevorzugt mit einer Dicke von 200 15 Nanometer (nm) bis 800 nm ausgebildet.

Die Dicke der weiteren metallischen Schicht wird bevorzugt auf 1 Mikrometer (pm) bis 30 pm, vorzugsweise 3 pm bis 20 pm, eingestellt. Eine Dicke von 1 pm, bevorzugt 3 pm, ist ausreichend, um auch bei Vorerwärmen des festen Körpers und Diffusion des Metalls in 20 den Körper eine Schicht ausreichender Dicke aufrecht zu erhalten. Damit eine Fügezone im Verbundgussteil andererseits möglichst dünn ausgebildet vorliegt, kann eine maximale Dicke der weiteren metallischen Schicht auf 30 pm, bevorzugt 20 pm, beschränkt werden. 25

Um eine möglichst durchgehende, homogene weitere metallische Schicht mit enger Größenverteilung der abgeschiedenen Kristalle auszubilden, wird diese bevorzugt elektrochemisch abgeschieden. Alternativ, wenngleich mit höheren Kosten verbunden, kann auch eine Abscheidung über die Gasphase, z.B. durch CVD, PVD oder anderen * Beschichtungsverfahren, erfolgen. 30 Sofern das eingesetzte feste Substrat bzw. der Körper kaltgewalzt ist, erweist es sich als zweckmäßig, das Abtragen von Aluminiumoxid spanabhebend durch Schleifen durchzuführen.

NACHGEREICHT I ··

♦ ·· • · » • ···· 5

Weiter kann es empfehlenswert sein, um den festen Körper während des Gießprozesses thermisch möglichst wenig zu beanspruchen, dass die Schmelze mit dem festen Körper bei einer Schmelzentemperatur, die niedriger als eine Schmelz- bzw. Solidustemperatur des festen Körpers ist, in Kontakt gebracht wird. 5

Bei einer Herstellung von Verbundgussteilen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einem Fügepartner, der ebenfalls aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, ist die weitere metallische Schicht bevorzugt aus Zink oder einer Zinkbasislegierung gebildet. 10

Mit Bezug auf einen Verbundgussteil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit Magnesium oder einer Magnesiumbasislegierung ist es vorteilhaft, wenn die weitere metallische Schicht aus Mangan oder einer Manganbasislegierung besteht, da Mangan in Magnesium eine ausreichende Randlöslichkeit aufweist, mit Magnesium jedoch keine 15 niedrig schmelzenden intermetallischen Phasen ausbildet.

Das weitere Ziel der Erfindung wird durch einen Verbundgussteil erreicht, der nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. 20 Ein erfindungsgemäßer Verbundgussteil zeichnet sich vor allem durch eine im Wesentlichen defektfreie Fügezone aus, durch welche eine exzellente metallische Bindung zwischen den Fügepartnem gegeben ist. Dementsprechend können erfindungsgemäße Verbundgussteile in hochbelastbaren Fahrzeugkomponenten, beispielsweise Rahmenkonstruktionen, Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen, 25 Anwendung finden.

Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus dem Zusammenhang der Beschreibung und den nachfolgenden Ausführungsbeispielen, anhand derer die Erfindung noch weitergehend dargestellt ist. 30

Es zeigen

Fig. 1: Eine schematische Darstellung einer Situation, bei der ein beschichteter Körper mit einer Schmelze in Kontakt gebracht wird;

Fig. 2: Einen erfindungsgemäß hergestellten Verbundgussteil;

·· · 6

Fig. 3: Ein Schliffbild eines erfindungsgemäß hergestellten Verbundgussteiles im Bereich einer Fügezone.

Beispiel 1 5 Ein kaltgewalztes Blech aus einer Aluminiumbasislegierung AIMg1 (1 Gewichtsprozent Magnesium, Rest im Wesentlichen Aluminium) wurde mit Schleifpapier aus Siliciumkarbid bearbeitet, um eine Dicke der am Blech anhaftenden Aluminiumoxidschicht zu verringern. Anschließend wurde das Blech gereinigt, indem es bei 55 °C in einer leicht basischen Lösung Ultraschall ausgesetzt wurde. Danach, ebenfalls zur Reinigung gehörend, wurde 10 das Blech in einer NaOH-Lösung (pH>13) bei 55 °C gebeizt, worauf der anhaftende Film mit verdünnter HN03-Lösung entfernt wurde.

Im Anschluss an die Reinigung wurde das Blech mit einer basischen NaOH-Lösung enthaltend Zn(OH)42' bzw. einer in Fachkreisen so genannten Zinkatbeize behandelt, 15 wobei sich die noch anhaftende Aluminiumoxidschicht auflöste und sich an der

Oberfläche des Bleches eine durchgehende Zinkschicht mit einer Dicke von etwa 500 nm ausbildete. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen belegten, dass die so abgeschiedene Zinkschicht dicht war, was einen gewünschten Oxidationsschutz brachte. 20 Im Anschluss an die nasschemische Behandlung wurde auf der bereits vorhandenen Zinkschicht eine weitere Zinkschicht elektrochemisch abgeschieden. Eine Dicke dieser weiteren, zweiten metallischen Schicht betrug ca. 5 pm.

Das so behandelte Blech, mit zwei darauf abgeschiedenen Zinkschichten, wurde auf ca. 25 200 °C erwärmt (auch höhere Temperaturen, z.B. 600 °C, sind möglich) und anschließend mit einer Schmelze in Kontakt gebracht, deren Zusammensetzung einer Aluminiumbasislegierung AIS>12 (12 Gewichtsprozent Silicium, Rest im Wesentlichen Aluminium) entsprach und deren Temperatur im Bereich von 650 °C bis 700 °C lag. Danach wurde der so entstandene Verbund erstarren gelassen. 30

Fig. 1 zeigt eine Ausgangssituation beim Kontaktieren des beschichteten Bleches mit einer Schmelze. In einem ersten Bereich 1 liegt ein Substrat vor, das in einem Fügebereich, der eine ca. 500 nm dicke Zinkschicht 2 und eine auf dieser elektrochemisch abgeschiedene, etwa 5 pm dicke weitere Zinkschicht 3 trägt. Die

| NACHGEREICHT • #····· ·· ·· · · · · • · ··· · · · • · · · · ···· • · · · · · ··· ··· ·· ···· · 7

Zinkschichten 2, 3 haben eine duale Funktion: Zum einen verringern sie während der Vorbereitungsarbeiten ein Oxidieren der Oberfläche im vorgesehen Fügebereich, und zwar auch bei erhöhten Temperaturen. Zum anderen bewirken die Zinkschichten 2,3 eine exzellente Anbindung der im Bereich 4 vorliegen Schmelze beim Erstarren. Dies ist 5 anhand Fig. 2 demonstriert, in welcher ein Verbundgussteil dargestellt ist, der wie vorstehend beschrieben hergestellt wurde. In einem Bereich A besteht der Verbundgussteil aus der erwähnten Legierung AIMg1, wohingegen im Bereich B der Verbundgussteil aus einer Legierung AISi12 besteht. Beide Bereiche sind über eine gemeinsame Fügezone C miteinander verbunden, welche Fügezone C im Wesentlichen 10 defektfrei ausgebildet ist.

Fig. 3 zeigt für den Verbundgussteil aus Fig. 2 eine lichtmikroskopische Aufnahme im Bereich der Fügezone C. Wie ersichtlich, ist die Fügezone C, welche die Bereiche A, B miteinander verbindet, frei von Rissen bzw. anderen Defekten. Analytische 15 Untersuchungen haben gezeigt, dass das Zink der vorhandenen Zinkschichten 2, 3 (siehe Fig. 1) während der Herstellung des Verbundgussteiles in das Substrat bzw. die erstarrende Schmelze diffundiert. Diese Diffusionsprozesse bewirken, dass es nicht nur zu einer exzellenten metallischen Anbindung der erstarrenden Schmelze kommt, sondern letztlich die Zinkschichten 2, 3 kaum oder nicht mehr getrennt sichtbar sind, sofern eine 20 Dicke der Zinkschicht 3 nicht allzu groß gewählt wird (Fig. 3).

Weitere Verbundgussteile wurden analog, jedoch mit anderen Zusammensetzungen von Aluminiumschmelzen, nämlich AISi7, AICu7 oder AIZn7 entsprechend, hergestellt, wobei ebenfalls Verbundgussteile mit exzellent ausgebildeten Fügezonen erhalten wurden. 25

Beispiel 2

Auf ein kaltgewalztes Blech aus einer Aluminiumlegierung AIMg1 wurde wie in Beispiel 1 beschrieben eine Zinkschicht mit einer Dicke von 500 nm aufgebracht. Anschließend wurde auf der Zinkschicht eine Schicht aus Mangan elektrochemisch abgeschieden, 30 wobei eine Dicke der zweiten Schicht 15 pm betrug.

Das so beschichtete Blech wurde im beschichteten Bereich mit einer Magnesiumschmelze mit einer Temperatur von 700 °C in Kontakt gebracht und die Schmelze anschließend erstarren gelassen. Ähnlich wie bei den Ausführungsbeispielen

8 gemäß Beispiel 1 konnte wiederum eine im Wesentlichen defektfreie Fügezone zwischen dem Substrat aus einer Aluminiumlegierung und dem angegossenen Magnesiumteil erhalten werden. 5 Im Rahmen der Erfindung wird unter einer Basislegierung eines Metalls eine Legierung verstanden, die überwiegend aus diesem Metall besteht.

Claims

·· · ······ • ··· ·· · * · · • ι · · ··· «· · • f · · · · · ···· ··· #··· · ·· ··· ··· ·· ···· · 9 Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundgussteiles, wobei eine Schmelze aus Aluminium oder Magnesium oder einer Basislegierung dieser Metalle mit einem festen s Körper aus AJumiDkim oder einer Aluminiumbasislegierung in einem Fügebereich in Kontakt gebracht und erstarren gelassen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte beinhaltet: a) wahlweise mechanisches Abträgen von Aluminiumoxid im Fügebereich des festen Körpers, 10 b) Behandeln des Fügebereiches des festen Körpers mit einer Zinklösung, um eine zinkhaltige Schicht zu erhalten, c) Abscheiden einer weiteren metallischen Schicht auf der zinkhältigen Schicht, wobei die weitere metallische Schicht aus einem Metall oder einer Legierung gebildet ist, das bzw. die sich im festen Körper und/oder in der Schmelze zumindest teilweise lösen kann, ohne 15 intermetallische Phasen auszubilden, die unterhalb der Schmelz- bzw. Solidustemperaturen des festen Körpers und der Schmelze erstarren, d) Kontaktieren des festen Körpers mit Schmelze im Fügebereich und Erstarrenlassen der Schmelze.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke der in Schritt b) erstellten Schicht 200 nm bis 800 nm beträgt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke der in Schritt c) erstellten weiteren metallischen Schicht 1 pm bis 30 pm, 25 vorzugsweise 3 pm bis 20 pm, beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere metallische Schicht elektrochemisch abgeschieden wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper gewalzt ist und das Abtragen von Aluminiumoxid durch Schleifen erfolgt. NACHGEREICHT

·· · • · · • · · • ···· 10
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze mit dem festen Körper bei einer Schmelzentemperatur, die niedriger als eine Schmelz- bzw. Solidustemperatur des festen Körpers ist, in Kontakt gebracht wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist und die in Schritt c) abgeschiedene Schicht aus Zink oder einer Zinkbasislegierung besteht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die 10 Schmelze aus Magnesium oder einer Magnesiumbasislegierung gebildet ist und die in Schritt c) abgeschiedene Schicht aus Mangan oder einer Manganbasislegierung besteht.
9. Verbundgussteil erhältlich nach einem der Ansprüche 1 bis 8. 15 ARC Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH veri

Leoben, am 23. Februar 2007 NACHGEREICHT [