DE102004039748A1

DE102004039748A1 - Druckgussbauteile aus Aluminium- und Magnesium-Legierungen mit mechanischen Verbindungen und Verfahren zum Verbinden

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Publication number: DE102004039748A1
Application number: DE200410039748
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Barth
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-08-17
Filing date: 2004-08-17
Publication date: 2006-03-09

Abstract

Verfahren zur festen mechanischen Verbindung von metallischen Bauteilen, welche metastabile Gefüge aufweisen, die unter Temperatureinwirkung irreversibel in Gefüge mit höherem Volumen umwandelbar sind, mittels mechanischer Verbindungsmittel, wobei die zu verbindenden metallischen Bauteile vor dem Verbinden mit den Verbindungsmitteln bei einer Temperatur ausgelagert werden, die zumindest teilweise eine Umwandlung in das Gefüge mit höherem Volumen bewirkt, sowie Metallbauteil aus mehreren Druckgussteilen aus Mg- und/oder Al-Legierung, welche durch mechanische Verbindungsmittel miteinander oder mit einem anderen Bauteil aus Gusseisen, Buntmetall, Stahl oder Zn-Legierungen verbunden sind, wobei die durch Gefügeumwandlung hervorgerufene irreversible Expansion für die Druckgussteile bis zu einer Temperatur von 150°C und für die mechanischen Verbindungsmittel bis zu einer Temperatur von 450°C unterhalb 0,01% liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur festen mechanischen Verbindung von mehreren metallischen Bauteilen, die metastabile Gefüge aufweisen, welche unter Temperatureinwirkung irreversibel in Gefüge mit höherem Volumen umwandelbar sind, mittels mechanischer Verbindungsmittel, sowie verbundene metallische Bauteile.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine geeignete Wärmebehandlung von mehrteiligem luft- und/oder wasserabgeschrecktem, Al-haltigem Mg-Druckguss oder Cu-, Mg-, Si- und/oder Zn-haltigem Al-Druckguss für höherfeste Schraubverbindungen bei Betriebstemperaturen bis zu und oberhalb 150°C.

Derartige metallische Bauteile beruhen insbesondere auf Leichtmetalllegierungen, wie Mg- oder Al-Legierungen. Deren Anwendung ist insbesondere beim Leichtbau von Antriebsaggregaten von Bedeutung. Hierzu zählt unter anderem die Automobilindustrie, wo derartige Leichtbauteile als Motorenkomponenten eingesetzt werden. Zu den typischen Aggregatteilen der Automobilindustrie zählen Kurbel-, Steuer- oder Getriebegehäuse und Ölwannen aus Al-/Mg-Druckguss. Die thermische Belastung liegt für diesen Anwendungsbereich um und oberhalb ca. 150°C. Die einzelnen Bauteile aus Druckguss werden meist mit Stahlschrauben und neuerdings auch mit hochfesten Al- oder Ti-Schrauben miteinander verbunden. Dabei kann das Mg-/Al-Druckgussteil auch mit einem anderen metallischen Bauteilen, insbesondere aus Gusseisen- (z.B.: GG 26 Cr-Kurbelgehäuse), Zn- oder Stählen mechanisch verbunden werden. Hierbei ergibt sich das Problem, welches insbesondere bei Mg-Druckguss oder bei der gut zu gießenden und hoch Al-haltigen Mg-Druckgusslegierung AZ 91 sehr störend ist, dass sich die in der Regel als Verbindungsmittel verwendeten Schrauben im thermischen Aggregatbetrieb bereits oberhalb 120°C lösen.

Aus diesem Grund muss häufig auf Al-armen bzw. warmbeständigen und schlecht zu gießenden Mg-Druckguss oder auf den bis zu 25 % schwereren Al-Druckguss (z.B. aus AlSi9Cu3, AlSi8Cu3, AlSi12(Cu), AlSi12Cu1, AlSi11Cu2, AlSi10Mg, AlSi9Mg, AlMg2Mn, AlMg3, AlMg5, AlMg9, AlMg5Si2Mn, AlZn5Mg und AlZn10SiMg) zurückgegriffen werden.

Das Lösen von Schraubverbindungen wurde bisher auf die geringe Kriechbeständigkeit von schon bei 437°C schmelzenden Mg₁₇Al₁₂-Phasen in Al-haltigen Mg-Druckguss zurückgeführt.

Um diesem zu begegnen, wurden Al-arme Mg- (AS 31) oder Al-reiche Mg-Druckgusslegierungen mit Ca- oder Sr-Zusatz entwickelt, welche das Aluminium zu warmbeständigeren Phasen abbinden. Ca-/Sr-haltige Mg-Legierungen (z.B. AJ 62) sind jedoch kaum korrosionsbeständig, oder führen zu einer immer noch nicht befriedigenden Schraubverbindung im Fahrbetrieb (MRI 153).

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauteilen mittels mechanischer Verbindungsmittel bereitzustellen, welches ein durch thermische Wechsellast hervorgerufenes Lockern oder Lösen der Verbindungsmittel verhindert.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Verfahren zur festen mechanischen Verbindung von metallischen Bauteilen, die metastabile Gefüge aufweisen, welche unter Temperatureinwirkung irreversibel in Gefüge mit höherem Volumen umwandelbar sind, mittels mechanischer Verbindungsmittel, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch ein Metallbauteil aus mehreren Druckgussteilen aus Mg- und/oder Al-Legierung, welche durch mechanische Verbindungsmittel miteinander und/oder mit einem Bauteil aus Gusseisen-, Zn- oder Stahllegierung verbunden sind, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 11.

In einem ersten Aspekt der Erfindung ist somit vorgesehen, dass die zu verbindenden Al-/Mg-Druckgussbauteile – vor dem Verbinden mit den Verbindungsmitteln thermisch ausgelagert werden. Die Auslagerung erfolgt bei einer Temperatur, welche dazu geeignet ist, eine Gefügeumwandlung hervorzurufen. Diese Gefügeumwandlung führt zumindest teilweise zu einem Gefüge mit höherem Volumen, findet also unter Expansion der Bauteile statt. Bei dieser Expansion handelt es sich um eine zumindest bezüglich der Anwendungsbedingungen der gefügten Bauteile irreversible Umwandlung. Erfindungswesentlich ist dabei, dass unter Anwendungsbedingungen im wesentlichen keine entsprechende Volumenexpansion mehr stattfinden kann, da diese quasi vorweggenommen ist.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die Verbindungsfestigkeit neben der Druckfließgrenze und reversiblen Wärmeausdehnung der metallischen Bauteile, insbesondere eines Druckgusses aus Mg- oder Al-Legierung, ganz entscheidend durch deren irreversible Wärmeausdehnung in Bezug auf die reversible Wärmeausdehnung des Werkstoffes der Verbindungsmittel beeinflusst wird. So kommt es, dass das Lösen der Verbindungsmittel, insbesondere von Schrauben, nicht auf die geringe Kriechbeständigkeit der metallischen Bauteile, insbesondere der Mg- oder Al-Druckgusslegierungen zurückzuführen ist, sondern im wesentlichen darauf, dass die üblicherweise eingesetzten Legierungen unter Anwendungsbedingungen, im Wege der Alterung eine Gefügeumwandlung durchmachen, welche zu einer Volumenexpansion führt. Da diese Volumenexpansion irreversibel ist und grundsätzlich einen anderen Betrag aufweist als die thermische Ausdehnung der Verbindungsmittel, findet ein Lockern bzw. Lösen der Verbindung statt.
Bereits der reversible Wärmeausdehnungskoeffizient von Mg-Druckguss ist mit ca. 26×10^–6/K höher als derjenige der typischerweise eingesetzten Verbindungsmittel. So liegt der reversible thermische Ausdehnungskoeffizient von Al-Druckguss, insbesondere als Al-Schrauben, bei ca. 22×10^–6/K und derjenige von ferritischen/martensitischen bzw. austenitischen Stahlschrauben bei nur 11×10^–6/K bzw. 16×10^–6/K. Bei Schrauben aus Titan oder Titanlegierungen beträgt der Ausdehnungskoeffizient 9 bis 11×10^–6/K und bei Kupfer- bzw. Messing-Schrauben 16×10^–6/K bzw. 19×10^–6/K. Die entsprechenden Verbindungsmittel aus Stahl-, Ti-, Cu- oder T6/T7-wärmebehandelter Al-Legierung dehnen sich bis ca. 300 °C kaum irreversibel aus.
Bei thermischer Belastung kommt jedoch bei den Bauteilen aus Mg- oder Al-Druckguss noch die irreversible Wärmeausdehnung der Gefügeumwandlung hinzu. Diese resultiert aus dem Ausscheiden thermodynamisch stabiler intermetallischer Phasen aus dem metastabilen Druckgussgefüge. Letztere hängt von der Legierungszusammensetzung und von den Abkühlbedingungen nach dem Gießen ab. Bei Erwärmung der konventionellen Aggregate aus Mg- oder Al-Druckguss mit Schraubenverbindung dehnt sich die Schraubbohrung druckgegossener Al- bzw. Mg-Bauteile je nach Klemmlänge stärker reversibel sowie irreversibel aus als die verbindende Titan- oder Stahlschraube. Da Al- bzw. Mg-Druckguss eine acht- bis zehnmal geringere Druckfließ- bzw. Dehngrenze als Ti- und Stahlschrauben bzw. eine zwei- bis dreimal geringere Druckfließ- bzw. Dehngrenze als Al-, Cu und Messing-Schrauben hat, wird bei Erwärmung und resultierender Wärmeausdehnung der Befestigungsbohrung der Al- bzw. Mg-Druckguss bevorzugt unter dem Schraubenkopf plastisch verformt, so dass sich der Schraubverbund beim Abkühlen unter Verlust seiner Vorspannkraft löst. Dieser Vorgang wiederholt sich unter der thermischen Wechsellast der Anwendung.
Durch die schnelle Erstarrung beim Druckgießen von Mg- oder Al-Legierungen werden ausscheidungshärtende Legierungselemente wie Mg, Si, Zn, Cu oder Al metastabil in den Al- oder Mg-Mischkristallen elementar gelöst, so dass diese übersättigt werden. Dies gilt im Prinzip für luftabgekühlten und insbesondere für wasserabgeschreckten Druckguss.
So ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die zu verbindenden Al-/Mg-Druckguss-Bauteile vor dem Verbinden einer thermischen Auslagerung zu unterziehen, bei welcher die irreversible Wärmeausdehnung bzw. Volumenexpansion des metallischen Bauteils vorweggenommen wird, so dass unter Anwendungsbedingungen im wesentlichen keine Volumenexpansion durch thermische Alterung mehr stattfinden kann. Die Auslagerung erfolgt bei einer Temperatur, die zumindest teilweise eine Umwandlung in das Gefüge mit höherem Volumen bewirkt. Der Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den metallischen Bauteilen und den Verbindungsmitteln wird dadurch wesentlich verringert, so dass auch unter Anwendungsbedingungen kein Lösen oder Lockern der festen Verbindungen mehr auftritt.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich ebenfalls für Ausführungen bei denen die Druckgussteile mit einem Bauteil aus Gusseisen-, Zn- oder Stahllegierung oder aus dem Material der Verbindungsmittel verbunden werden.
Erfindungsgemäß sind die mechanischen Verbindungsmittel so gewählt, dass sie zumindest bis zur Temperatur der Auslagerung keine irreversible Expansion aufweisen. Typischerweise ist der zu reversibler Volumenänderung führende Wärmeausdehnungskoeffizient der metallischen Bauteile dabei höher als derjenige der mechanischen Verbindungsmittel. Die mechanischen Verbindungsmittel werden beispielsweise durch Schrauben, Bolzen, Nieten oder Klemmen gebildet. Diese sind in der Regel ebenfalls metallisch und insbesondere aus Stahl, Titan, Kupfer, Kupferlegierungen oder hochfesten Leichtmetalllegierungen, wie zum Beispiel auf Basis von Aluminium und Titan gebildet.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird als mindestens eines der Druckgussbauteile ein Al-Druckguss mit Cu-, Si-, Mg- und/oder Zn-Legierungsbestandteilen angewendet. In der Wärme scheiden sich dann vor allem bei wasserabgeschrecktem, Cu-, Si-, Mg- und/oder Zn-haltigem Al-Druckguss (insbesondere GD-AlSi9Cu3, GD-AlSi8Cu3, GD-AlSi12(Cu), GD-AlSi12Cu1, GD-AlSi11Cu2, GD-AlSi10Mg, GD-AlSi9Mg, GD-AlMg2Mn, GD-AlMg3, GD-AlMg5, GD-AlMg9, GD-AlMg5Si2Mn, GD-AlZn5Mg und GD-AlZn10SiMg) je nach Legierung die thermodynamisch stabilen, festigkeitssteigernden Phasen Al₂Cu, Al₂CuMg, Al₄CuMg₅Si, Mg₂Si, MgZn₂, Al₂Mg₃Zn und Al₃Mg₂ aus. Dies führt zu einer Volumenexpansion, die einer irreversiblen thermischen Ausdehnung entspricht. Der Betrag der irreversiblen Ausdehnung liegt für wasserabgeschrecktem Cu-, Mg- oder Si-haltigem Al-Druckguss wie AlSi9Cu3, AlSi8Cu3, AlSi12(Cu), AlSi12Cu1, AlSi11Cu2, AlSi10Mg, AlSi9Mg, AlMg5Si2Mn und AlZn10SiMg bei einer Auslagerung von 100 h bei 150°C bei ca. 0,1%. Bei Luftabkühlung ist die irreversible Ausdehnung geringer.
Die angegebenen Werte der Ausdehnung beziehen sich auf die dilatometrisch einfach zu ermittelnde lineare Ausdehnung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung wird als mindestens eines der Druckgussbauteile Al-haltiger Mg-Druckguss verwendet. Hierzu zählen insbesondere die Legierungen AZ 91, AS 41, AS 31 und AS 21. Als thermodynamisch stabile Phase scheidet sich in der Wärme insbesondere das festigkeitssteigernde Mg₁₇Al₁₂ aus, was zu der irreversiblen Volumenexpansion führt. Der Betrag irreversiblen Ausdehnung liegt für Luft- oder wasserabgeschrecktes AZ 91 bei ca. 0,02%, bei Luft- oder wasserabgeschrecktem AS 41 bei ca. 0,01%, bei luft- oder wasserabgeschrecktem AS 31 bei ca. 0,008% und bei luft- oder wasserabgeschrecktem AS 21 bei ca. 0,005%, bezogen auf eine Auslagerung bei 150°C für 100 h.
Die Volumenexpansion nimmt mit steigendem Gehalt des aushärtenden Legierungselementes Al in Mg-Druckguss bzw. Cu, Mg und Zn in Si-haltigen Al-Druckguss zu, da sich entsprechend mehr Mg₁₇Al₁₂- bzw. Al₂Cu-, Al₂CuMg-, Al₄CuMg₅Si-Mg₂Si, MgZn₂, Al₂Mg₃Zn und Al₃Mg₂-Phasen ausscheiden.
Dieser Mechanismus der irreversiblen thermischen Ausdehnung ist ebenso bei unterschiedlichen anderen Metalllegierungen zu finden. Daher beschränkt sich der Gegenstand der Erfindung nicht auf die besonders ausgeführten Mg- oder Al-Legierungen. So werden in Automobilfahrzeugen z.B. auch duktile Mg-Druckgusslegierungen wie AM 50 und AM 60 im Interieur- und Chassisbereich eingesetzt, die z.T. auch thermisch hoch beansprucht sind (z.B. Integralträger, Lenkgehäuse).
Zu den bevorzugten Kombinationen von metallischem Bauteil und Verbindungsmitteln gehören Mg- oder Al-Druckguss mit Schrauben, Klemmen, Nieten oder Bolzen aus Stahl, Titan, Kupfer oder Ti-, Cu- und Al-Legierung. Werden im Vergleich zu Stahl oder Titan die ca. zweimal minderfesten Al-Schrauben verwendet, so ist zwar das Anzugsmoment geringer, jedoch entspricht die reversible Wärmeausdehnung nahezu der von Mg-Druckguss bzw. vollständig der von Al-Druckguss. Somit reduziert sich der Schraubenvorspannkraftverlust.
Bei den unterschiedlichen Mg-Druckgussteilen hat zwar AZ 91 eine um 25 bis 50 MPa höhere Druckfließgrenze als AS-Legierungen, jedoch ist deren irreversible Wärmeausdehnung bei 150°C zwei- bis viermal höher. Somit ist der Vorspannkraftverlust bei konventioneller Fertigungsweise von Al- und besonders von Stahl- oder Titanschrauben bei AZ 91 höher als bei AS 31. So sind konventionell gefertigte AZ 91-Aggregatteile mit Titan-/Stahlschraubverbindung nicht bei 150°C einsetzbar (lose Schraubverbindung), bzw. Al-Schrauben ermöglichen nur eine kurzfristige Belastung bei 150°C. Durch die geringere irreversible Wärmeausdehnung von AS 21/AS 31 resultiert bei Titan oder Stahlschrauben eine gerade noch verliersichere Schraubverbindung bei 150°C. Trotz der hohen irreversiblen Wärmeausdehnung ist der Schraubvorspannkraftverlust bei konventioneller Fertigungsweise von GD-AlSi9Cu3 und anderer Cu-, oder Si-/Mg-haltiger Al-Druckgusslegierungen infolge der doppelt so hohen Druckfließgrenze geringer als bei Mg-Druckguss. Am Beispiel von AS-Legierungen zeigt sich, dass mit steigendem Al-Gehalt bzw. höherer irreversibler Wärmeausdehnung der Vorspannkraftverlust von Al-Schrauben linear zunimmt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Schraubverbundfestigkeit dagegen unabhängig vom Schraubenwerkstoff über eine Wärmebehandlung des metastabilen Mg- bzw. Al-Druckgussgefüges erhöht und zwar so, dass sich dessen irreversible Wärmeausdehnung bei 150°C auf ein Minimum reduziert. Ein anderer Vorteil ist, dass gleichzeitig dessen Druckfließgrenze angehoben wird. Hierdurch minimiert sich insgesamt die Wärmeausdehnung des Al-/Mg-Druckgusswerkstoffes, so dass sich im warmen Aggregatbetrieb ein höherfester Klemm-, Niet- oder Schraubverbund insbesondere bei längerer Klemmlänge ergibt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, das metastabile Gefüge, insbesondere Druckgussgefüge von Mg- oder Al-Legierungen, über Warmaushärtung thermodynamisch so zu stabilisieren, dass sich im warmen Aggregatbetrieb im wesentlichen keine weiteren intermetallischen Phasen mehr unter irreversibler Volumenzunahme bilden können.
Für die erfindungsgemäß bevorzugten Mg- oder Al-Legierungen ergibt sich der weitere Vorteil, dass über Ausscheidungshärtung die Druckfließ- bzw. Dehngrenze vom Al-/Mg-Druckguss je nach Legierung um 20 bis 80 MPa (20-40 %) erhöht wird. Dadurch wird bei der anwendungsbezogenen Erwärmung der Druckgusswerkstoff in Verbindung mit der geringeren irreversiblen Wärmeausdehnung weniger plastisch unter dem Schraubenkopf verformt.
Bevorzugt werden Al- oder Mg-Druckgussteile verwendet, die unmittelbar nach dem Öffnen der Druckgussform in Wasser abgeschreckt wurden. Diese werden erfindungsgemäß einer anschließenden Warmaushärtung unterzogen, die zu einer 10 bis 30 % höheren Druckfließ- oder Dehngrenze führt. Hierbei wer-den Gefüge mit sehr feinen Ausscheidungen von Mg₁₇Al₁₂- bzw. Al₂Cu-, Al₂CuMg-, Al₄CuMg₅Si-, Mg₂Si-, MgZn₂-, Al₂Mg₃Zn- und Al₃Mg₂-Phasen gebildet. Erst hierauf erfolgt die Verbindung der Bauteile mittels der Verbindungsmittel.
Bevorzugt wird die Temperatur der Warmaushärtung oder Auslagerung oberhalb der späteren Anwendungstemperatur der zusammengesetzten Bauteile gewählt.
Zur Erzielung eines thermodynamisch stabilen sowie hochfesten Al-/Mg-Druckgussgefüges ist die Temperatur beim Warmaushärten höher als die Aggregattemperatur, das heißt in der Regel 120 bis 180°C zu wählen. Die Auslagerung, insbesondere die Aushärtetemperatur und -zeit, darf jedoch nicht zu hoch gewählt werden, sonst liegt ein zu stark thermisch überalterter bzw. minderfester Al- bzw. Mg-Druckguss vor. In Abhängigkeit vom Al- bzw. Cu-/Mg-/Zn-Gehalt im Mg- bzw. Si-haltigen Al-Druckguss sind zu hohe Aushärtetemperaturen zu vermeiden, die anstatt zu einer Warmaushärtung zu einem Lösungsglühen (Auflösen der intermetallischen Phasen) bzw. zu einem gegenteiligen Effekt (minderfestes Gefüge mit hoher irreversibler Wärmeausdehnung) führen würden.
Erfindungsgemäß sind bei hohem Legierungsgehalt höhere Aushärtetemperaturen/-zeiten zu wählen, um ein möglichst stabiles Gefüge der metallischen Bauteile zu erzielen.
Es werden für folgende Al- bzw. Mg-Druckgusslegierungen ein mehrstündiges (2 bis 8 h) Stabilisierungsglühen bzw. Warmaushärten bei folgenden Temperaturen bevorzugt:

a) Mg-Legierungen mit Al-Gehalt von 2,5 bis 4 Gew.-% (z.B. AS 31): 150 bis 220°C
b) Mg-Legierungen mit Al-Gehalt von 4 bis 5 Gew.-% (z.B. AS 41, AM 50): 200 bis 280°C
c) Mg-Legierungen mit Al-Gehalt von 5 bis 8 Gew.-% (z.B. AM 60, AZ 81): 210 bis 300°C
d) Mg-Legierungen mit Al-Gehalt von 8 bis 10 Gew.-% (AZ 91): 220 bis 320°C
e) Al-Legierungen mit 0,7 bis 1,5 Gew.-% Cu (z.B. GD-AlSi12Cu): 180 bis 300°C
f) Al-Legierungen mit 1,5 bis 2,5 Gew.-% Cu (z.B. GD-AlSi11Cu2): 200 bis 390°C
g) Al-Legierungen mit Cu-Gehalt größer 2 Gew.-% (z.B. GD-AlSi9Cu3, GD-AlSi8Cu3, GD-AlSi17Cu4Mg, GD-AlSi11Cu2): 200 bis 420°C
h) Si-haltige Al-Legierungen mit Mg-Gehalten von 0,2 bis 0,6 Gew.-% (z.B. GD-AlSi10Mg, GD-AlSi9Mg, etc.): 180 bis 400°C
i) Al-Legierung mit 2,0 Gew.-% Mg (z.B.: GD-AlMg2Mn): 150°C
j) Al-Legierung mit 2,5 bis 3,5 Gew.-% Mg (z.B. GD-AlMg3): ca. 160°C
k) Al-Legierung mit 3,5 bis 4,5 Gew.-% Mg: 160 bis 220°C
l) Al-Legierung mit 4,5 bis 6,5 Gew.-% Mg (z.B. GD-AlMg5): 160 bis 230°C
m) Al-Legierung mit 8,0 bis 10,5 Gew.-% Mg (z.B. GD-AlMg9): 200 bis 320°C

Ein weiterer Aspekt betrifft Metallbauteile aus mehreren Druckgussteilen aus Mg- und/oder Al-Legierung, welche durch mechanische Verbindungsmittel miteinander oder mit anderen Bauteilen aus Gusseisen, Stahl, etc. verbunden sind, wie sie bevorzugt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich sind. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die durch Gefügeumwandlung hervorgerufene irreversible Expansion für die Druckgussteile bis zu einer Temperatur von 150°C und für die mechanischen Verbindungsmittel bis zu einer Temperatur von 450°C unterhalb 0,01 liegt. Hierdurch wird ein Lösen oder Lockern an den Verbindungsstellen bei Betriebstemperaturen um 120 bis 180°C weitgehend verhindert. Auch kurzzeitige Spitzentemperaturen oberhalb dieser Werte sind möglich.
Besonders bevorzugt liegt die irreversible Expansion der Druckgussteile im Bereich der Betriebstemperaturen unterhalb 0,005%, ausgedrückt als lineare Expansion.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Druckgussbauteile aus Mg- und/oder Al-Legierung und die Verbindungsmittel aus Schrauben, Bolzen, Nieten oder Klemmen aus Leichtmetall (z.B. Aluminium-, Titan-Legierung, Titan), Kupfer, Messing oder Stahl gebildet. Besonders bevorzugte Mg-Legierungen weisen einen Al-Gehalt von 2,5 bis 10 Gew.-% auf oder werden durch AS 21, AS 31, AS 41, AM 50, AM 60, AZ 81 oder AZ 91 gebildet. Besonders bevorzugte Al-Legierungen weisen einen Cu-Gehalt zwischen 0,7 bis 4,0 Gew.-% auf (z.B. GD-AlSi9Cu3, GD-AlSi8Cu3, GD-AlSi12(Cu), GD-AlSi12Cu1, GD-AlSi11Cu2) oder sind Si- und Mg-haltig (z.B. GD-AlSi10Mg, GD-AlSi9Mg, GD-AlMg5Si2Mn, GD-AlZn10SiMg) oder nur Mg-haltig (z.B. GD-AlMg2Mn, GD-AlMg3, GD-AlMg5, GD-AlMg9).
Die miteinander oder mit anderen Bauteilen aus Gusseisen, Stahl, oder weiteren metallischen Bauteilen verbundenen Druckgussbauteile werden bevorzugt im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen eingesetzt, insbesondere in Bereichen, wo die thermische Dauerbelastung auf 180°C bevorzugt 150°C eingeschränkt ist. Je nach Legierungszusammensetzung können dabei jedoch Temperaturspitzen im Bereich von 150 bis 420°C toleriert werden.
Beispiel:
Im Fall von 5 h bei 280°C stabilisierungsgeglühten, zuvor wasserabgeschreckten AZ 91-Saugrohren oder Zylinderkopfhauben konnte die kostengünstigere Stahlschraubverbindung beibehalten werden, obwohl die thermische Bauteilbelastung von 120°C auf 140°C anstieg. Nicht wärmebehandelte Saugrohre oder Zylinderkopfhauben haben dagegen eine teuere Al-Verschraubung oder eine andere schlechter gießbare Mg-Druckgusslegierung oder aber eine schwerere Al-Druckgusslegierung erfordert.

Claims

Verfahren zur festen mechanischen Verbindung von metallischen Bauteilen, welche metastabile Gefüge aufweisen, die unter Temperatureinwirkung irreversibel in Gefüge mit höherem Volumen umwandelbar sind, mittels mechanischer Verbindungsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden metallischen Bauteile vor dem Verbinden mit den Verbindungsmitteln bei einer Temperatur ausgelagert werden, die zumindest teilweise eine Umwandlung in das Gefüge mit höherem Volumen bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Verbindungsmittel bis zur Temperatur der Auslagerung keine irreversible Expansion aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der zu reversibler Volumenänderung führende Wärmeausdehnungskoeffizient der metallischen Bauteile höher ist als derjenige der mechanischen Verbindungsmittel.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Bauteile aus Druckguss von Mg- und/oder Al-Legierungen und die mechanischen Verbindungsmittel aus Leichtmetall-, Kupfer-, oder Stahlwerkstoff gebildet werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Bauteile aus luft- oder wasserabgeschreckten Druckgussteilen von Mg- und/oder Al-Legierungen gebildet werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Bauteile aus Mg-Legierungen mit einem Al-Gehalt von 2,5 bis 10 Gew.-% gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Bauteile je nach Mg-Legierung vor dem Verbinden bei einer Temperatur von 150 bis 320°C für mindestens 2 Stunden getempert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Bauteile durch Al-Legierungen mit einzelnen oder mehreren ausscheidungshärtenden Legierungselementen gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Bauteile vor dem Verbinden je nach Legierung bei einer Temperatur von 150 bis 420°C für mindestens 2 Stunden getempert werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Verbindungsmittel durch Schrauben, Bolzen, Nieten oder Klemmen gebildet werden.
Metallbauteil aus mehreren Druckgussteilen aus Mg- und/oder Al-Legierung, welche durch mechanische Verbindungsmittel miteinander und/oder mit einem Bauteil aus Gusseisen-, Zn- oder Stahllegierung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Gefügeumwandlung hervorgerufene irreversible Expansion für die Druckgussteile bis zu einer Temperatur von 150°C und für die mechanischen Verbindungsmittel und das Bauteil aus Gusseisen-, Zn- oder Stahllegierung bis zu einer Temperatur von 450°C unterhalb 0,01% liegt.
Metallbauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die irreversible Expansion unterhalb 0,005 liegt.
Metallbauteil nach Anspruch 11 oder 12 „ dadurch gekennzeichnet, dass es durch Druckgussbauteile aus Mg- und/oder Al-Legierung und Schrauben, Bolzen oder Klemmen aus Buntmetall, Leichtmetall oder Stahl gebildet ist.
Metallbauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mg-Legierung einen Al-Gehalt von 2,5 bis 10 Gew.-% aufweist oder durch AM50, AM60, AS31, AS41, AZ81 oder AZ91 gebildet ist.
Metallbauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Al-Legierungen einzelne oder mehrere ausscheidungshärtende Legierungselemente wie Cu, Mg, Si oder Zn aufweisen oder durch GD-Al Si 9 Cu 3, GD-AlSi8Cu3, GD-AlSi12(Cu), GD-AlSi12Cu1, GD-AlSi11Cu2, GD-AlSi10Mg, GD-AlSi9Mg, GD-AlMg2Mn, GD-AlMg3, GD-AlMg5, GD-AlMg9, GD-AlMg5Si2Mn, GD-AlZn5Mg oder GD-AlZn10SiMg gebildet ist.
Verwendung von Metallbauteilen nach einem der Ansprüche 11 bis 15 im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen.
Verwendung von Metallbauteilen nach einem der Ansprüche 11 bis 15 bei Betriebstemperaturen mit Temperaturspitzen im Bereich von 120 bis 420°C.