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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Druckgießen von Bauteilen.
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Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zur Erzeugung eines wärmenachbehandelten Druckgussbauteils, insbesondere eines dünnwandigen Druckgussteils aus einem Nichteisenmetall (z.B. Aluminium oder Magnesium bzw. Legierungen hieraus) umfasst in der Regel die folgenden Schritte:
- - Druckgießen des Bauteils in einer Druckgießmaschine,
- - Entnahme des Bauteils aus der Druckgießform,
- - Aktives oder passives Abkühlen des Bauteils auf Raumtemperatur,
- - Entfernen von Graten, Überläufen sowie des Angusses,
- - Aufheizen und Halten des Bauteils auf Lösungsglühtemperatur,
- - Abschrecken und Auslagern sowie
- - Fertigbearbeiten
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Beim Druckgießen wird die flüssige Schmelze des Metalls unter hohem Druck von ca. 10 bis 200 MPa und mit einer sehr hohen Geschwindigkeit von bis zu 120 m/s in eine Druckgussform gedrückt, wo diese erkaltet und erstarrt.
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Ein Abkühlen des Bauteils ergibt sich bei den aus dem Stand der Technik bekannten Anlagen zur Herstellung von wärmenachbehandelten Druckgussbauteilen bereits durch die große Zeitspanne, die für das Entformen aus dem Druckgusswerkzeug und den Transport zu einem nachgeordneten Lösungsglühofen benötigt wird. Ferner kann ein gewolltes Abkühlen dazu dienen, das Bauteil nachbearbeiten (insbesondere Entgraten) zu können.
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Ein langsames Abkühlen des Bauteils führt jedoch zu großen Ausscheidungen innerhalb des Werkstoffgefüges, was mit einem deutlichen Festigkeitsverlust verbunden ist.
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Um dennoch eine hohe Festigkeit des Fertigteils zu erreichen wird der Ausscheidungsprozess rückgängig gemacht, indem das Bauteil nachträglich einem Lösungsglühprozess zugeführt wird. Beim Lösungsglühen werden die Ausscheidungen, die sich während des vorausgegangenen Abkühlprozesses gebildet haben wieder in der Werkstoffmatrix gelöst. Ein Abschrecken des lösungsgeglühten Bauteils verhindert ein erneutes Ausscheiden. Nach einer entsprechenden Warm- oder Kaltauslagerung ergibt sich folglich ein Fertigteil mit hoher Festigkeit.
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Dieses aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren weist eine Reihe von Nachteilen auf. Durch das zwischenzeitliche Abkühlen des Bauteils auf bis zu Raumtemperatur ergibt sich ein hoher Energieaufwand für das Aufheizen auf Lösungsglühtemperatur und damit einhergehend lange und unwirtschaftliche Lösungsglühzeiten. Hierfür sind zudem große und damit investitionsintensive Durchlauföfen erforderlich.
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Aus der
EP 1 065 292 B1 ist ein Verfahren bekannt zum Erhöhen der Zugfestigkeit bei 300°C eines Gussteils aus einer Aluminiumlegierung, wobei das Gussteil aus 4 bis 20 Gewichts-% Silizium, 0,1 bis 2 Gewichts-% Magnesium als ein notwendiger Härterbestandteil und 0 bis 4 Gewichts-% Kupfer, 0,2 bis 2 Gewichts-% Eisen, 0 bis 3 Gewichts-% Nickel als optionale Härterbestand teile und dem Rest, abgesehen von geringfügigen Gehalten weiterer optionaler Legierungselemente, wie Mangan und Titan, Aluminium besteht, wobei die Mikrostruktur des Gussteils Aluminiumdendriten, Siliziumteilchen und Härterteilchen, die Magnesium und die anderen Härterbestandteile, falls vorhanden, enthalten, umfasst, wobei das Verfahren ein Erwärmen des Gussteils auf eine Temperatur von 500°C bis 540°C, um zumindest einige der Härterteilchen wieder aufzulösen und die wieder aufgelösten Bestandteile durch die gesamten Aluminiumdendriten hindurch gleichmäßig neu zu verteilen, ein Überführen des Gussteils in einen Temperaturzustand im Bereich von 350°C bis 450°C und Halten des Gussteils in dem Zustand für eine Zeitdauer, um Härterteilchen durch die gesamten Aluminiumdendriten hindurch wieder abzuscheiden, und ein Abkühlen des Gussteils auf Umgebungstemperatur umfasst.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, das zumindest einen aus dem Stand der Technik bekannten Nachteil verringert, sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst, vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der Kern der Erfindung sieht vor, beim Druckgießen eines Bauteils, dieses nach dem Erstarren des Werkstoffs in einen Glühofen zu überführen, ohne dass es dabei zu einer wesentlichen Abkühlung des Werkstoffs kommt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit vor, den im Stand der Technik üblichen Verfahrensschritt des Abkühlens des Bauteils auf Raumtemperatur auszulassen. Dies ermöglicht, die Lösungsglühdauer deutlich zu verkürzen, da der Ausscheidungsprozess der aushärtenden Phasen, der ansonsten bei der Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgen würde, weitgehend unterbunden wird. Dadurch können zudem spannungs- und somit verzugsärmere Bauteile hergestellt werden. Weiterhin ergeben sich deutliche Einsparungen hinsichtlich des nachträglichen Aufheizens auf die Glühtemperatur, da die Bauteile ausgehend von der Entnahmetemperatur und nicht von der Raumtemperatur bis auf die Glühtemperatur erwärmt werden. Das Erwärmen geht dadurch nicht nur bedeutend schneller, sondern erfordert gleichzeitig einen geringeren anlagentechnischen Aufwand aufgrund der Möglichkeit leistungsschwächere Glühöfen einzusetzen.
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Als wesentliche Abkühlung wird erfindungsgemäß eine Reduzierung der Werkstofftemperatur verstanden, die in einem ausgeprägten Ausscheiden der aushärtenden Phasen resultiert.
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Vorzugsweise wird das Bauteils bei einer Werkstofftemperatur von mindestens 150°C überführt. Besonders bevorzugt beträgt die Temperatur mindestens 200°C. Grundsätzlich gilt, dass das Bauteil bei einer Temperatur überführt werden soll, die möglichst nahe an der für den Werkstoff optimalen Lösungsglühtemperatur liegt. Je geringer der Temperaturabfall beim Überführen ist, desto weniger Ausscheidungen bilden sich, die in dem nachfolgenden Lösungsglühprozess wieder gelöst werden müssen. Die Haltezeit des Lösungsglühprozess hängt somit direkt von diesem Temperaturabfall ab.
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Als Werkstofftemperatur wird erfindungsgemäß die minimale Kerntemperatur des Bauteils verstanden.
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Erfindungsgemäß wird der grundsätzliche Fall erfasst, dass die Druckgussform und der Glühofen zwei räumlich voneinander getrennte Vorrichtungen sind, so dass das Überführen in den Ofen ein vorheriges Entnehmen des Bauteils aus der Druckgussform erfordert. Erfindungsgemäß soll aber nicht ausgeschlossen werden, dass der Glühofen in die Druckgussform integriert ist, d.h. ein vorheriges Entnehmen nicht erforderlich ist.
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Erfindungsgemäß wird das Bauteil frühestens dann aus der Druckgussform entnommen, wenn dieses ausreichend erstarrt ist, um in den Ofen überführt werden zu können Vorteilhaft ist es, das Bauteil nach dem ausreichenden Erstarren unverzüglich in den Ofen zu überführen, um ein weiteres Abkühlen zu vermeiden. Besonders bevorzugt erfolgt dies beim sogenannten Formöffnungszeitpunkt, bei dem der Pressrest in der Form soweit erstarrt ist, dass ein Öffnen der Form möglich ist. Unter bestimmten Voraussetzungen kann es jedoch vorteilhaft sein, das Bauteil noch etwas in der Druckgussform zu belassen und ggf. eine weitere Abkühlung zu erzielen. Ein Abkühlen auf eine Temperatur unter 150°C und insbesondere auf Raumtemperatur sollte erfindungsgemäß jedoch vermieden werden. Beispielsweise kann das Bauteil bei einer beheizten Druckgussform längere Zeit in dieser verbleiben, ohne dass es zu einer übermäßigen Abkühlung kommt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird das Bauteil während der Überführung thermisch isoliert. Darunter wird erfindungsgemäß verstanden, dass die Temperatur des Bauteils während der Überführung nicht oder nicht wesentlich sinkt, oder sogar steigt. Die thermische Isolierung kann aktiv oder passiv erfolgen. Bei der passiven thermischen Isolierung wird ein großer Übergang der Wärme des Bauteils an die Umgebung, beispielsweise durch Abschirmung des Bauteils mit schlecht wärmeleitenden und/oder wärmereflektierenden Vorrichtungen verhindert. Bei der aktiven thermischen Isolierung wird der Wärmeverlust des Bauteils aktiv ausgeglichen oder das Bauteil sogar erwärmt und schon an die spätere Glühtemperatur herangeführt. Hierzu können Heizstrahler verwendet werden. Auch kann die Druckgussform selbst beheizt sein, um ein übermäßiges Abkühlen zu verhindern bzw. das Bauteil an die Lösungsglühtemperatur heranzuführen.
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Vorteilhafterweise werden an dem Bauteil gegebenenfalls vorhandene Überläufe, Grate und/oder Angüsse vor dem Überführen in den Ofen entfernt. Dies kann bei der Temperatur des Bauteils erfolgen, mit der dieses in den Ofen überführt wird. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird das Bauteil an den Schnittkanten, dass heißt an den Stellen, an denen die Überläufe, Grate und/oder Angüsse von dem Bauteil entfernt werden, lokal gekühlt. Dadurch kann ein Schmieren des Werkstoffs beim Trennen verhindert werden; es ergeben sich somit sauberere Trennkanten. Das (lokale) Kühlen kann auf beliebige Weise erfolgen. Vorteilhaft ist ein Abkühlen auf einen Temperaturbereich von 150 °C und weniger. Alternativ hierzu ist es auch möglich, das Entfernen von Überläufern, Graten und/oder Angüssen auch ohne lokale Abkühlung durchzuführen oder erst nach einem Lösungsglühen und ggf. weiteren Nachbehandlungsprozessen durchzuführen.
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In dem Glühofen wird das Bauteil vorzugsweise auf Lösungsglühtemperatur erwärmt und dort gehalten. Das Lösungsglühen erfolgt vorzugsweise so lange, bis die Ausscheidungen der gehärteten Phasen bis zum gewünschten Grad wieder gelöst sind. Durch ein nachträgliches Abschrecken wird das nunmehr „homogene“ Gefüge konserviert.
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Der Glühofen ist vorzugsweise so ausgelegt, dass das Bauteil innerhalb kurzer Zeit auf die erforderliche Glühtemperatur erwärmt wird. Zum Einsatz können konventionelle Öfen kommen, die über ein Thermostat gesteuert werden, indem die Heizvorrichtung - je nachdem, ob die Temperatur eine definierte Ober- oder Untergrenze über-/unterschreitet - zu- bzw. abgeschaltet wird. Solche Öfen zeichnen sich folglich durch einen schwingenden Temperaturverlauf aus. Vorteilhaft ist jedoch ein möglichst homogener Temperaturverlauf, da dies ermöglicht, die Lösungsglühtemperatur näher an die werkstoffabhängige Maximaltemperatur (je nach Legierung: 460°C - 540°C) heranzuführen, ohne dass es zu einem Überschwingen (kurzfristiges Überschreiten dieser Maximaltemperatur) kommt. Ein solches Überschwingen kann zu einem in der Regel unerwünschten Anschmelzen der eutektischen Phasen in dem Werkstoff führen.
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Um einen möglichst homogenen Temperaturverlauf im Ofen zu erzielen können vorteilhafterweise Metall- und/oder Keramikkörper verwendet werden, die auf die gewünschte Temperatur vorerwärmt werden. Diese Metall- und/oder Keramikkörper können sich durch einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten und/oder eine hohe Wärmekapazität auszeichnen, so dass durch eine an den Erfordernissen des jeweiligen Glühprozesses ausgerichtete Wahl der Metall- und/oder Keramikkörper ein hoher und gleichzeitig weitgehend konstanter Wärmeübergang auf das Bauteil erzielt werden kann. Dadurch wird eine rasche Erwärmung des Bauteils auf die Lösungsglühtemperatur ermöglicht.
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Durch eine entsprechende Dimensionierung der Metall- und/oder Keramikkörper in Verbindung mit einer entsprechenden Handhabung kann ein Treibsand-ähnliches Verhalten der Metall- und/oder Keramikkörper erzeugt werden. Ein in den Ofen überführtes Bauteil würde somit in den Metall- und/oder Keramikkörpern versinken und möglichst homogen von diesen umschlossen werden, was wiederum zu einer homogenen und zügigen Erwärmung des Bauteils auf die Lösungsglühtemperatur bzw. ein Halten auf dieser Temperatur beiträgt. Das Treibsand-ähnliche Verhalten der Metall- und/oder Keramikkörper kann beispielsweise dadurch verstärkt werden, dass Luft in den Ofen eingeblasen wird, durch die eine Verwirbelung der Metall- und/oder Keramikkörper erfolgt. Vorzugsweise wird die Luft heiß eingeblasen, so dass auf diesem Wege die Temperatur innerhalb des Ofens konstant gehalten werden kann. Ein möglichst homogener Verlauf der Ofentemperatur kann dazu verwendet werden, die Lösungsglühtemperatur möglichst nahe an die Maximaltemperatur heranzuführen, ohne dass ein Überschwingen befürchtet werden müsste. Dies hat den Vorteil einer deutlich geringeren Haltezeit, weil - grob anhand einer Faustregel gefasst - eine um 10°C näher an der Maximaltemperatur liegende Lösungsglühtemperatur eine Verdoppelung der Reaktionsgeschwindigkeit und damit eine Halbierung der Haltezeit mit sich bringt. Dies führt nicht nur zu einer verbesserten Festigkeiten sondern gleichzeitig zu einer weiteren Verkürzung der gesamten Prozessdauer.
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Eine Vorrichtung zur Herstellung eines wärmenachbehandelten Druckgussbauteils weist eine Druckgussvorrichtung mit einer Druckgussform, in die ein aufgeschmolzener metallischer Werkstoff unter Druck eingebracht wird, einen Lösungsglühofen, in dem das Druckgussbauteil nachbehandelt wird, und eine Überführungsvorrichtung zum Überführen des Bauteils in den Lösungsglühofen auf, wobei die Überführungsvorrichtung das Bauteil so zügig in den Lösungsglühofen überführt, dass ein wesentliches Abkühlen des Bauteils unterbleibt, und/oder Mittel vorgesehen sind, die das Bauteil thermisch isolieren.