DE102009035702A1

DE102009035702A1 - Fahrwerksbauteil für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102009035702A1
Application number: DE102009035702A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Dr. Neumann; Hermann Laukötter; Wolfram Linnig
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2011-02-03
Also published as: US20110025009A1; EP2286941A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrwerksbauteil für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Fahrwerksbauteils. Ein mineralischer Kernkörper aus Silikat wird mit Leichtmetallguss umgossen und der so hergestellte Rohling schmiedetechnisch bearbeitet und das Fahrwerksbauteil 1 geformt. Beim Schmiedevorgang können Dichte und Festigkeit sowohl des Grundkörpers des Fahrwerksbauteils bildenden Leichtmetallgusses als auch des Kernkörpers eingestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrwerksbauteil für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrwerksbauteils.
Leichtmetall bzw. Leichtmetalllegierungen, allen voran Aluminium, gewinnen im Automobilbau als Leichtbauwerkstoff zunehmend an Bedeutung, insbesondere im Hinblick auf leichtbauende Fahrwerksbauteile. Aufgrund des gegenüber Stahl geringeren Elastizitätsmoduls erfordern die nötigen Bauteilsteifigkeiten besondere hüllenartige Strukturen, um die Leichtbaupotentiale der Leichtmetallwerkstoffe zu realisieren. Für hoch beanspruchte Fahrwerksbauteile wie Schwenklager, Dreieckslenker und Querlenker, die Streckgrenzen von ca. 350 MPa bei gleichzeitig hoher Bruchdehnung von mindestens 10% erfordern, sind Leichtmetall-Hohlgussteile nicht mehr oder kaum einsetzbar, da diese nur Streckgrenzen von ca. 200 MPa und Bruchdehnungen von ca. 5% erreichen.
Derzeit ist es üblich, solche hochbeanspruchten Fahrwerksbauteile im Gesenkschmiedeverfahren aus vorgeformten Schmiederohlingen auf Basis von Strangpressprofilen herzustellen. Zum Stand der Technik in diesem Zusammenhang zählt auch das so genannte Cobapressverfahren. Hierbei handelt es sich um ein Hybridverfahren, bei dem ein gegossener Rohling einmalig nachgeschmiedet wird. Durch die schlagartige Krafteinwirkung beim Gesenkschmieden erfolgt eine Verdichtung des Gussgefüges. Gussübliche Porositäten, Schrumpflunker und andere Gefügedefekte werden beim schmiedeüblichen Materialfluss verrieben und verschweißt, so dass die Streckgrenze auf ca. 280 MPa und die Bruchdehnung auf ca. 10% gesteigert werden können.
Auch das so genannte Gegendruckgießen kommt bei der Herstellung der Fahrwerksbauteile zur Anwendung. Beim Gegendruckverfahren wird während der Erstarrungsphase des Leichtmetallgusses in der Gießform (Kokille) ein Überdruck erzeugt. Auch hierdurch können gussübliche Porositäten, Schrumpflunker und sonstige Gefügedefekte erheblich reduziert und dadurch die Streckgrenze auf ca. 260 MPa sowie die Bruchdehnung auf ca. 10% erhöht werden.
Die bekannten Verfahren sind betriebsbewährt. Hinsichtlich der geforderten Bauteileigenschaften von Fahrwerksbauteilen lassen sich diese mit den bekannten Verfahren jedoch nur massiv mit Vollquerschnitten realisieren. Die partiell sehr begrenzten Anforderungen an höchste Festigkeiten bestimmen daher das gesamte Bauteil, obwohl die Bauteile Bereiche besitzen, in welchen die Anforderungen hinsichtlich der Festigkeit geringer sind, jedoch höhere Steifigkeiten gefordert werden. Diese partiell höheren Steifigkeiten können nach dem Stand der Technik nur durch Erhöhung der Vollquerschnitte erzielt werden, was ein grundsätzlich nicht notwendiges erhöhtes Gewicht und mehr Materialeinsatz verursacht.
Der Erfindung liegt daher ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, hochbeanspruchbare Fahrwerksbauteile mit Streckgrenzen zwischen ca. 280 MPa und 300 MPa bei Bruchdehnungen ab ca. 10% bei ansonsten gleichen Anforderungen an lokale Festigkeiten und Steifigkeiten im Gewicht zu reduzieren, den Materialeinsatz zu verringern und hierdurch ökonomischer zu gestalten sowie ein Verfahren zur Herstellung eines hochbeanspruchten leichtbauenden Fahrwerksbauteils aufzuzeigen.
Die Lösung des gegenständlichen Teils der Aufgabe besteht in einem Fahrwerksbauteil gemäß Anspruch 1.
Das erfindungsgemäße Fahrwerksbauteil weist einen Grundkörper aus Leichtmetallguss auf. In diesem Grundkörper ist gießtechnisch ein mineralischer Kernkörper eingebettet. Der Grundkörper ist zusammen mit dem eingebetteten mineralischen Kernkörper schmiedetechnisch bearbeitet und zum Fahrwerksbauteil geformt.
Da Steifigkeiten in dritter Potenz vom Abstand zur neutralen Mittellinie des Fahrwerksbauteils bestimmt werden, sind hierfür insbesondere die äußeren Querschnittsbereiche der Fahrwerksbauteile von Bedeutung, während die inneren nur geringere Beiträge zur Steifigkeit leisten. Diese Erkenntnis macht sich die Erfindung zu Eigen. Zur Gewichtsreduzierung bei gleicher Steifigkeit bietet es sich folglich an, Bauteile nicht mit Vollquerschnitten, sondern innen zumindest partiell mit einem leichten Kernmaterial, aber mit einer für die Steifigkeit bestimmenden Außenschicht auszulegen.
Der die äußere Hülle des Fahrwerksbauteils bildende Grundkörper besteht aus Leichtmetallguss. Hierbei kommen insbesondere Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen oder Magnesium oder Magnesiumlegierungen zur Anwendung.
Als Kernkörper kommt ein mineralisches Material zum Einsatz, das wärmebeständiger und leichter ist als der Werkstoff des äußeren Grundkörpers aus Leichtmetallguss. Die Hitze- bzw. Temperaturbeständigkeit ist derart, dass der Kernkörper in schmelzflüssigem heißem Leichtmetallguss eingebettet werden kann. Aluminium oder Aluminiumlegierungen besitzen ein spezifisches Gewicht von etwa 2,7 g/cm³ und einen Schmelzpunkt von etwa 660°C. Magnesium oder Magnesiumlegierungen weisen ein spezifisches Gewicht von etwa 1,7 g/cm³ und einen Schmelzpunkt von ca. 650°C auf. Vorzugsweise kommt daher ein Material als Kernkörper zum Einsatz mit einer Feuerbeständigkeit gegenüber Temperaturen von 800°C und höher, insbesondere einem Schmelzpunkt zwischen 1.300°C und 1.400°C. In diesem Zusammenhang ist insbesondere an Werkstoffe auf Basis von expandierenden Tonmineralien gedacht. Ein solcher Werkstoff ist Vermiculite.
Der Kernkörper ist insbesondere in solchen Bauteilbereichen des Fahrwerksbauteils angeordnet, welche gegenüber einem anderen Bauteilbereich eine geringere Festigkeit bei gleicher oder höherer Steifigkeit besitzen sollen.
Vorzugsweise besteht der Kernkörper aus einem Silikat, insbesondere kommt ein Aluminium-Eisen-Magnesium-Silikat zum Einsatz.
Der verfahrensmäßige Teil der Aufgabe wird durch ein Verfahren wie in Anspruch 7 aufgezeigt gelöst.
Erfindungsgemäß kommen als Schmiederohlinge bauteilabhängig geformte Gussteile mit einem Kernkörper aus leichten, hitzefesten und thermisch beständigen mineralischen Werkstoffen zum Einsatz. Die Kernkörper müssen die nachfolgenden Gesenkschmiedeprozesse, Wärmebehandlungen, mechanische Bearbeitungen sowie die Beanspruchungen im Fahrwerksbauteil aushalten und verbleiben als Dauerkern im Fahrwerksbauteil.
Die Kernkörper werden stabil in einer Gussform positioniert und anschließend mit Leichtmetallguss umgossen und hierbei eingeschlossen. Die Positionierung des Kernkörpers oder der Kernkörper erfolgt in Anpassung auf die späteren Belastungen des fertigen Fahrzeugbauteils. Die Kernkörper werden dort vorgesehen, wo primär höhere Steifigkeiten und nicht höchste Festigkeiten erforderlich sind. In Abstimmung auf die Bauteileigenschaften und deren Kontur erfolgt die Positionierung der Kernkörper bereits im Rohling. Die schmiedetechnische Bearbeitung beispielsweise durch Gesenkformen wird gezielt so ausgeführt, dass beim Schmieden definierten Verdichtungen des Leichtmetallwerkstoffes und des Kernkörpers erfolgen, mit der die geforderten mechanischen Eigenschaften des Fahrwerksbauteils erreicht bzw. eingestellt werden. Die Temperaturen werden durch den Schmiedeprozess definiert. In der Praxis ist von Schmiedetemperaturen zwischen 400°C und 600°C auszugehen. Die schmiedetechnische Bearbeitung des Rohlings kann im Anschluss an die gießtechnische Herstellung des Rohlings unter Nutzung der aus dem Gießprozess stammenden Wärme erfolgen. Grundsätzlich kann aber auch ein abgekühlter Rohling für den Schmiedevorgang auf Schmiedetemperatur erwärmt werden.
Solche Bereiche des Fahrwerksbauteils, in denen höchste Festigkeiten gefordert sind, werden wie bisher üblich mit Vollquerschnitt ausgeführt. Der Werkstoff erhält beim Schmieden in diesen Bauteilbereichen durch entsprechenden Materialfluss und Materialverdichtung höchste Festigkeiten.
Es können je nach Anforderungen gezielt unterschiedliche Eigenschaften in Fahrwerksbauteile eingebracht werden, je nach Positionierung und Auslegung der Kernkörper, der Bereiche mit Vollquerschnitt des Fahrwerksbauteils sowie der Einstellung des schmiedeüblichen Verformungsgrades und des Fließverhaltens des Schmiederohlings beim Schmieden. In Abhängigkeit von der Einstellung der mechanischen Eigenschaften bzw. der Dichte der Kernkörper vor und nach dem Schmieden kann eine zusätzliche innere Stützwirkung und Steifigkeitserhöhung auch im Bereich der Kernkörper im Fahrwerksbauteil bewirkt werden.
Die Erfindung schafft hoch beanspruchbare Fahrwerksbauteile mit Streckgrenzen von 280 MPa und mehr bei Bruchdehnungen von etwa 10%, die gegenüber vergleichbaren herkömmlichen Fahrwerksbauteilen gewichtsmäßig reduziert sind. Trotz gleicher Steifigkeiten kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber dem Stand der Technik das Gewicht der Fahrwerksbauteile reduziert werden. Dies ist nicht nur ein wesentlicher Faktor bei der Reduzierung der Herstellungskosten, sondern auch ein wichtiger Beitrag zur Reduzierung von Fahrwerksmassen, insbesondere der ungefederten Massen, die hohen Einfluss auf die Verbrauchswerte und den Fahrkomfort haben.
Die Erfindung ist nachfolgend noch anhand der beigefügten Figur erläutert.
Die Figur zeigt ein erfindungsgemäßes Fahrwerksbauteil in Form eines geschmiedeten Schwenklagers 1. Das Schwenklager 1 weist einen Grundkörper 2 aus Leichtmetallguss auf. Insbesondere kann der Grundkörper 2 aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, aber auch aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung bestehen. In dem Grundkörper 2 ist ein mineralischer Kernkörper 3 gießtechnisch eingebettet.
Der Kernkörper 3 besteht aus einem Silikat, insbesondere aus einem Aluminium-Eisen-Magnesium-Silikat.
Die Figur verdeutlicht, dass der Kernkörper 3 in einem sich zwischen dem unteren Bauteilbereich 4 und einem oberen Bauteilbereich 5 erstreckenden mittleren Bauteilbereich 6 angeordnet ist. Dieser Bauteilbereich 6 ist in seiner Längserstreckung mit A gekennzeichnet. Der Kernkörper 3 ist in der Figur technisch vereinfacht nebst Darstellung eines Querschnitts durch den Bauteilbereich 6 dargestellt. Der Bauteilbereich A unterliegt primär hohen Steifigkeitsanforderungen. Hier kann durch den Einsatz des Kernkörpers 3 Gewicht eingespart werden unter Beibehaltung einer hohen Steifigkeit. Die in der Figur mit B gekennzeichneten Bauteilbereiche unterliegen primären Festigkeitsanforderungen. Daher werden die Bauteilbereiche B wie üblich mit Vollquerschnitt hergestellt.
Zur Herstellung des Schwenklagers 1 wird ein geometrisch auf den späteren Einsatz im Fahrwerksbauteil abgestimmter vorkonfektionierter, mineralischer Kernkörper 3 bereitgestellt. Dieser Kernkörper 3 wird in einer Gussform positioniert und mit schmelzflüssigem Leichtmetallguss umgossen und so in den Leichtmetallguss eingebettet. Der auf diese Weise hergestellte Rohling wird dann schmiedetechnisch bearbeitet und das Schwenklager 1 geformt. Bei der schmiedetechnischen Bearbeitung wird gezielt die Dichte und/oder die Festigkeit des Schwenklagers 1 eingestellt. Die schmiedetechnische Bearbeitung des Rohlings kann im Anschluss an die gießtechnische Herstellung des Rohlings unter Nutzung der aus dem Gießprozess stammenden Wärme erfolgen. Grundsätzlich kann aber auch ein abgekühlter Rohling für den Schmiedevorgang auf Schmiedetemperatur erwärmt werden.
Bezugszeichenliste

1: Schwenklager
2: Grundkörper
3: Kernkörper
4: unterer Bauteilbereich v. 1
5: oberer Bauteilbereich v. 1
6: mittlerer Bauteilbereich v. 1
A: Bauteilbereich
B: Bauteilbereich

Claims

Fahrwerksbauteil für ein Kraftfahrzeug, welche einen Grundkörper (2) aus Leichtmetallguss aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Grundkörper (2) zumindest ein mineralischer Kernkörper (3) gießtechnisch eingebettet ist und das Fahrwerksbauteil (1) schmiedetechnisch geformt ist.
Fahrwerksbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernkörper (3) aus einem Silikat besteht.
Fahrwerksbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernkörper (3) aus einem Aluminium-Eisen-Magnesium-Silikat besteht.
Fahrwerksbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
Fahrwerksbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung besteht.
Fahrwerksbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernkörper (3) in einem Bauteilbereich (6) angeordnet ist, welcher gegenüber einem anderen Bauteilbereich (4, 5) eine geringere Festigkeit bei gleicher oder höherer Steifigkeit besitzt.
Verfahren zur Herstellung eines Fahrwerksbauteils, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Bereitstellen eines mineralischen Kernkörpers (3); – Umgießen des Kernkörpers (3) mit Leichtmetallguss und Erzeugung eines Rohlings; – Schmiedetechnische Bearbeitung des Rohlings und Formung des Fahrwerksbauteils (1).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein Kernkörper (3) aus einem Silikat, insbesondere Aluminium-Eisen-Magnesium-Silikat, eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei ein Leitmetallguss aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung oder Magnesium bzw. einer Magnesiumlegierung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Dichte und/oder die Festigkeit des Kernkörpers (3) beim Schmiedevorgang eingestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die schmiedetechnische Bearbeitung des Rohlings bei einer Temperatur zwischen 400°C und 600°C durchgeführt wird.