DE102008056511A1

DE102008056511A1 - Verfahren zur Herstellung dünnwandiger Metallbauteile aus einer AI-SiMg-Legierung, insbesondere von Bauteilen eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102008056511A1
Application number: DE102008056511A
Authority: DE
Inventors: Marc Hummel; Andreas Schubert
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2008-11-08
Filing date: 2008-11-08
Publication date: 2010-05-20
Anticipated expiration: 2028-11-09
Also published as: DE102008056511B4

Abstract

Verfahren zur Herstellung dünnwandiger Metallbauteile aus einer AISiMg-Legierung, insbesondere von Bauteilen eines Kraftfahrzeugs, die nach ihrer Formgebung in einem zweistufigen Wärmebehandlungsprozess zunächst lösungsgeglüht und nach erfolgter Abschreckung warmausgelagert werden, wobei im Rahmen der Lösungsglühung zunächst eine Erwärmung auf eine erste Temperaturstufe, die für eine vorbestimmte erste Haltezeit gehalten wird, erfolgt, wonach eine weitere Erwärmung auf eine zweite Temperaturstufe erfolgt, die für eine vorbestimmte zweite Haltezeit gehalten wird, nach deren Ablauf die Abschreckung erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung dünnwandiger Metallbauteile aus einer AlSiMg-Legierung, insbesondere von Bauteilen eines Kraftfahrzeugs, die nach ihrer Formgebung in einem zweistufigen Wärmebehandlungsprozess zunächst lösungsgeglüht und nach erfolgter Abschreckung warmausgelagert werden.
Dünnwandige Metallbauteile, wie sie beispielsweise im Fahrzeugbau verwendet und dort als Struktur- oder Fahrwerksteile eingesetzt werden, werden häufig zur Gewichtsersparnis und aufgrund guter mechanischer Eigenschaften aus einer AlSiMg-Legierung, typischerweise aus AlSi7-10MnMg hergestellt. Diese Bauteile werden nach ihrer Formgebung, beispielsweise durch Gießen, sei es Druckguss, Sandguss oder Kokillenguss, in einem zweistufigen Wärmebehandlungsprozess (Lösungsglühung und Auslagerung) bearbeitet, um die geforderten Festigkeitsparameter durch temperaturbedingte Beeinflussung des Metallgefüges einzustellen. In einem ersten Wärmebehandlungsschritt erfolgt das Lösungsglühen der Metallbauteile bei einer Temperatur > 460°C und einer Haltezeit > 30 min, im zweiten Wärmebehandlungsschritt erfolgt die Warmauslagerung, also eine gezielte Alterung, um das im Rahmen der Lösungsglühung und der Lösungsglühung folgenden Abschreckung gebildete Gefüge zu stabilisieren. Üblicherweise erfolgt die Warmauslagerung bei Temperaturen zwischen 150°C und 240°C für eine Dauer von mehreren Stunden.
Zentraler Parameter der hergestellten Metallbauteile ist ihre Festigkeit. Diese wird aufgrund der Gefügestrukturierung im Rahmen der Lösungsglühung, also durch den ersten Temperaturschritt, wesentlich beeinflusst. Bei dem Legierungssystem AlSiMg erfolgt durch die Lösungsglühung zum einen die globulitische Einformung des Eutektikums. Dieser Vorgang tritt in der Regel bei Tem peraturen über 350°C ein. Zum anderen wird beim Lösungsglühen die Grundlage für eine spätere Ausscheidungshärtung, die für die Festigkeitssteigerung verantwortlich ist, geschaffen. Hierfür ist eine Übersättigung des α-Mischkristalls durch β-Bestandteile des Legierungssystems notwendig. Umso größer der Anteil an gelösten β-Mischkristallbestandteilen zu Beginn der Abschreckung ist, umso mehr auslagerungsfähige Bestandteile liegen im Material vor, das heißt, dass eine umso höhere Festigkeit erreicht werden kann. Je höher die Lösungsglühtemperatur ist, desto größer ist die Übersättigung nach dem Abschrecken. Mit einer höheren Lösungsglühungstemperatur einher geht jedoch auch eine zunehmende temperaturbedingte Verformung der Bauteile, das heißt, die Maßhaltigkeit der Bauteile wird mit zunehmender Temperatur stark negativ beeinflusst. Das heißt, dass mit zunehmender Temperatur und Haltedauer bei der Lösungsglühung die Verformung und somit die Maßabweichung der Bauteile zunimmt. Wird aufgrund der Maßhaltigkeitsprobleme nicht die Lösungsglühungstemperatur respektive der gesamte erste Prozessschritt variiert, sondern wird zur Festigkeitseinstellung die Warmauslagerung angepasst, muss sowohl die Auslagerungszeit als auch die Auslagerungstemperatur verändert werden, um thermisch stabile Zustände bei hoher Festigkeit zu erreichen, was sich nachteilig auf die Gesamtdauer des Behandlungsprozesses auswirkt.
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung dünnwandiger Metallbauteile anzugeben, das bei Beibehaltung einer akzeptablen Verfahrensdauer eine Herstellung solcher Metallbauteile mit hinreichender Festigkeit und Maßhaltigkeit ermöglicht.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass im Rahmen der Lösungsglühung zunächst eine Erwärmung auf eine erste Temperaturstufe, die für eine vorbestimmte erste Haltezeit gehalten wird, erfolgt, wonach wenigstens eine weitere Erwärmung auf eine zweite Temperaturstufe erfolgt, die für eine vorbestimmte zweite Haltezeit gehalten wird, nach deren Ablauf die Abschreckung erfolgt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist mit besonderem Vorteil der erste Wärmebehandlungsschritt, also die Lösungsglühung, zweistufig. Das heißt, dass die einzelnen Effekte der Lösungsglühung auf den Gefügezustand durch separate Prozessstufen abgedeckt werden. Im ersten Schritt erfolgt eine Erwärmung auf eine erste, niedrigere Temperaturstufe. Dieser Schritt dient der Einformung des Eutektikums. Diese Temperaturstufe liegt bevorzugt zwischen ca. 350°C–450°C, die Haltezeit auf dieser Stufe beträgt wenigstens 15 min, wobei eine gewisse Variation der Temperaturbereichsgrenzen um einige Grad, z. B. 5–10°, nach oben respektive unten durchaus möglich ist. Nach Ablauf der ersten Haltezeit, die z. B. 60, 80 oder 100 min betragen kann, je nachdem, wie die gewählte Temperatur ist und wie die Gefügewandlung in Abhängigkeit der Temperatur vonstatten geht, erfolgt in dem zweiten Prozessschritt eine weitere Erwärmung auf eine höhere zweite Temperaturstufe, die für eine vorbestimmte zweite Haltezeit gehalten wird. Die Temperatur der zweiten Stufe liegt bevorzugt zwischen ca. 420°C–530°C, die Haltedauer beträgt hier ca. 1–20 min, bevorzugt jedoch nur maximal ca. 15 min. Auch hier kann selbstverständlich die jeweilige Temperaturober- und -untergrenze gegebenenfalls um wenige Grad, z. B. 5–10°, nach oben respektive unten variiert werden. Das heißt, dass nur noch eine sehr kurze Haltedauer bei der zweiten hohen Temperaturstufe vorgesehen ist. Diese ist jedoch ausreichend, um für eine hinreichende Übersättigung des α-Mischkristalls durch die β-Bestandteile des Systems zu sorgen. Bedingt durch die nur noch sehr kurze notwendige Haltedauer bei der hohen zweiten Temperaturstufe kann mit besonderem Vorteil darüber hinaus der Verzug der Bauteile deutlich reduziert bzw. im Idealfall vermieden werden, da die Temperaturstufe für eine Geometrieänderung nicht lange genug gehalten wird. Nach Ablauf dieser sehr kurzen zweiten Temperaturstufe erfolgt das Abschrecken, beispielsweise in Luft bzw. bewegte Luft bzw. Wasser oder wässrigen Lösungen oder Sprühnebel oder Emulsionen. Hieran schließt sich sodann die Warmauslagerung an, die bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 150°C–240°C für die Dauer von ca. 80–600 min erfolgt, wobei auch hier die Temperaturgrenze wie auch die Dauer bei Bedarf etwas variiert werden können.
Insgesamt lässt das erfindungsgemäße Verfahren mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen zweistufigen Lösungsglühungsschritt ein nach wie vor zügiges Prozessieren der Metallbauteile zu, nachdem die Gefügeeinstellung primär durch die Lösungsglühung erfolgt, mithin also die Warmauslagerung hinreichend kurz gehalten werden kann respektive diese nicht aufgrund zu niedriger Lösungsglühungstemperatur respektive zu geringer β-Ausscheidung unzweckmäßig in die Länge gezogen werden muss. Darüber hinaus kann durch die relativ kurzzeitige Erhöhung auf die zweite Temperaturstufe für eine hinreichende Mischkristallübersättigung und damit Steigerung der Festigkeit gesorgt werden. Ein weiterer besonderer Vorteil liegt schließlich darin, dass selbstverständlich die Temperatur der zweiten Lösungsglühungsstufe, also die zweite Temperaturstufe, wie auch die Haltedauer in einem jeweiligen Intervall variiert werden kann, das es ermöglicht, den Grad der Übersättigung des Materialzustands nach der Abschreckung zu variieren. Hierüber ist es auf einfache Weise möglich, die Werkstoffeigenschaften an unterschiedliche Festigkeitsklassen anzupassen, das heißt, dass diese Festigkeitsanpassung allein aufgrund einer Variation der Parameter der zweiten Lösungsglühungsstufe (Temperatur und/oder Haltezeit) möglich ist. Zur Einstellung mechanischer Eigenschaften der Metallbauteile wird lediglich die Höhe der zweiten Temperaturstufe und/oder die Dauer der zweiten Haltezeit verändert, während die sonstigen Parameter der Lösungsglühung und gegebenenfalls die Abschreckung und Wärmeauslagerung unverändert bleiben.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren resultierenden mechanischen Eigenschaften können in beachtlicher Breite variiert werden. So kann die Dehngrenze Rp_0,2 der erhaltenen Metallbauteile zwischen 110–300 MPa, die Bruchdehnung > 7% und die Zugfestigkeit Rm zwischen 200–370 MPa betragen.
Die zweckmäßigerweise verwendeten Metallbauteile bestehen wie ausgeführt aus einer AlSiMg-Legierung, die bevorzugt Si zu 6,0–11,7 Gew.%, Mg zu 0,1–0,5 Gew.% und Fe zu < als 0,3 Gew.% enthält. Der Rest wird von Al gebildet respektive etwaigen in geringen Konzentrationen zugegebenen Legierungselementen wie Mn, Ti, Cu, Zr oder Sr, welche Bestandteile je nach Anforde rungen an die Bauteile und in Abhängigkeit des Fertigungsverfahrens zugegeben werden. Die Legierungszusammensetzung gewährleistet die Schweißbarkeit der Bauteile bei guter Korrosionsbeständigkeit, wobei die erfindungsgemäß behandelten Bauteile, die also lösungsgeglüht und warmausgelagert sind (Wärmebehandlungszustand ähnlich T6/T7) grundsätzlich ein thermisch stabiles Gefüge mit guter Umformbarkeit im Endzustand aufweisen, das ohne weiteres z. B. auch genietet werden kann.
Die Bauteile selbst weisen bevorzugt eine Wandstärke zwischen 1,5–10 mm auf und können wie bereits beschrieben in unterschiedlichen Gießverfahren geformt werden.
Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung ferner ein Metallbauteil, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Die Figur zeigt ein Prinzipdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs. Längs der Abszisse ist die Zeit t, längs der Ordinate die Temperatur T aufgetragen. Zum Zeitpunkt t₀ beginnt der erste Wärmebehandlungsschritt, nämlich die Lösungsglühung. Es erfolgt eine sehr schnelle Aufheizung ausgehend von der Starttemperatur T₀ auf eine erste Temperaturstufe T₁. Diese erste Temperaturstufe liegt zwischen 350°C–450°C. Nach Erreichen dieser Temperaturstufe T₁, was gemäß Figur im Zeitpunkt t₁ der Fall ist, wird diese Temperaturstufe für eine vorbestimmte erste Haltezeit gehalten, gemäß der Figur bis zum Zeitpunkt t₂. Nach Ablauf dieser Haltezeit t₁–t₂ ist die Einformung des Eutektikums erfolgt. Sodann erfolgt zum Zeitpunkt t₂ eine weitere Erwärmung auf eine, der durchgezogenen Linie in der Figur entsprechende, zweite Temperaturstufe T₂, die infolge der sehr schnellen Erwärmung ebenfalls sehr schnell im Zeitpunkt t₃ erreicht ist. Diese zweite Temperaturstufe liegt zwingend oberhalb der ersten Temperaturstufe und bevorzugt im Bereich zwischen 420°C–530°C. Auch diese zweite Temperaturstufe wird für eine vorbestimmte Zeit gehalten. Während die Haltezeit der ersten Temperaturstufe (t₁–t₂) mindestens 15 min beträgt (jedoch auch länger sein kann, beispielsweise 30, 45, 60 min etc.), ist die zweite Haltedauer t₃–t₄ deutlich kürzer, sie liegt im Bereich von 1–15 min. Während dieser beachtlich kurzen Haltezeit bei hinreichend hoher Temperatur kommt es zur Lösung von genügend β-Bestandteilen im Mischkristall, wobei sich trotz relativ kurzer Haltezeit eine hinreichend starke Lösung bis zum Beginn der nachfolgenden Abschreckung einstellt.
Zum Zeitpunkt t₄ ist die zweite Haltezeit abgelaufen, es schließt sich, siehe die abfallende durchgezogene Linie in der Figur, eine Abschreckung an, beispielsweise in Luft oder Wasser oder dergleichen.
Der Lösungsglühung und Abschreckung schließt sich wie die Figur zeigt, gegebenenfalls nach Ablauf einer weiteren Wartezeit, eine zweite Temperaturbehandlung an, nämlich eine Warmauslagerung. Diese beginnt im Zeitpunkt t₅ mit einer ausreichend schnellen Aufheizung auf eine Auslagerungstemperatur T₄, die jedoch deutlich niedriger ist als die erste Temperaturstufe T₁ der Lösungsglühung. Die Temperatur liegt bevorzugt zwischen 150°C–240°C. Nach Erreichen dieser Warmauslagerungstemperatur T₄ wird diese für eine vorbestimmte Dauer gehalten, das Halteintervall ist in die Figur mit t₆–t₇ angegeben. Während dieser Haltezeit kommt es zu einer Gefügestabilisierung. Nach Ablauf der Haltezeit im Zeitpunkt t₇ erfolgt die Abkühlung, die Warmauslagerung ist sodann im Zeitpunkt t₈ beendet.
Wie in der Figur ersichtlich ist, ist es möglich, die zweite Temperaturstufe im Rahmen der Lösungsglühung zu verändern, wie durch die gestrichelte Linie dargestellt ist. Über diese gestrichelte Linie ist dargestellt, dass ohne weiteres auch eine höhere Temperaturstufe zur Lösung von β-Bestandteilen gewählt werden kann, gemäß der Figur ist diese mit T₃ gekennzeichnet. Auch sie wird für eine vorbestimmte Haltezeit gehalten, wobei diese Haltezeit durchaus etwas kürzer sein kann als die, die bei einer niedrigeren Temperatur T₂ genutzt wird. Denn bei höherer Temperatur kommt es zu einer schnelleren β-Lösung. Das heißt, dass über die Höhe der zweiten Temperaturstufe und/oder die Haltedauer ohne weiteres der Übersättigungsgrad nach konstanter Abschreckung und damit letztlich auch das sich nach der Auslagerung einstellende Gefüge und daraus resultierend die endgültige Festigkeit des Metallbauteils variiert werden kann.
Schließlich zeigt die Figur noch im Bereich der Warmauslagerung, dass auch hier eine Variationsmöglichkeit besteht, wie durch die gestrichelte Linie dargestellt ist. Beispielsweise kann auch hier eine zweistufige Warmauslagerung erfolgen, indem zunächst eine Erwärmung auf eine niedrigere erste Warmauslagerungstemperatur T₅ erfolgt, und erst nach Ablauf einer gewissen Haltezeit eine Temperaturerhöhung auf die bereits beschriebene zweite Warmauslagerungstemperatur T₄ vorgenommen wird.
Abschließend ist festzuhalten, dass die Temperaturstufen nicht über die gesamte Zeit unveränderlich sind bzw. sein müssen. Vielmehr ist es selbstverständlich möglich, dass die Temperatur während der Haltezeit auch leicht um wenige Grad schwanken kann.

Claims

Verfahren zur Herstellung dünnwandiger Metallbauteile aus einer AlSiMg-Legierung, insbesondere von Bauteilen eines Kraftfahrzeugs, die nach ihrer Formgebung in einem zweistufigen Wärmebehandlungsprozess zunächst lösungsgeglüht und nach erfolgter Abschreckung warmausgelagert werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Lösungsglühung zunächst eine Erwärmung auf eine erste Temperaturstufe, die für eine vorbestimmte erste Haltezeit gehalten wird, erfolgt, wonach eine weitere Erwärmung auf eine zweite Temperaturstufe erfolgt, die für eine vorbestimmte zweite Haltezeit gehalten wird, nach deren Ablauf die Abschreckung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperaturstufe zwischen 350°C–450°C und die erste Haltezeit mindestens 15 min beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Temperaturstufe zwischen 420°C–530°C und die zweite Haltezeit 1–15 min beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmauslagerung bei einer Temperatur zwischen 150°C–240°C für die Dauer von 80–600 min erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung mechanischer Eigenschaften der Metallbauteile lediglich die Höhe der zweiten Temperaturstufe und/oder die Dauer der zweiten Haltezeit verändert wird, während die sonstigen Parameter der Lösungsglühung und gegebenenfalls der Abschreckung und der Warmauslagerung unverändert bleiben.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehngrenze Rp_0,2 der erhaltenen Metallbauteile zwischen 110–300 MPa, die Bruchdehnung > 7% und die Zugfestigkeit Rm zwischen 200–370 MPa beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Metallbauteile aus einer AlSiMg-Legierung enthaltend 6,0–11,7 Gew.% Si, 0,1–0,5 Gew.% Mg und < 0,3 Gew.% Fe verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Metallbauteile mit einer Wandstärke zwischen 1,5–10 mm verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Metallbauteile, deren Formgebung durch Druckguss, Sand- oder Kokillenguss erfolgt, verwendet werden.
Metallbauteil hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.