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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und Festigkeitssteigerung eines Verbundbauteils mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 101 63 039 C1 ist ein Herstellungsverfahren für ein warm- und kaltumformbares Bauteil aus einer Aluminiumlegierung bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein gegossenes Rohmaterial bei einer Temperatur zwischen 420 und 540°C homogenisiert, und nachfolgend bei einer Temperatur zwischen 450 und 560°C zu Halbzeugen geformt. Daran anschließend wird das Halbzeug auf eine Lösungsglühtemperatur zwischen 440 und 560°C erwärmt, bei dieser Temperatur ein- oder mehrfach warmumgeformt, danach in Wasser oder an Luft abgeschreckt und nachfolgend bei einer Temperatur zwischen 160 und 240°C warm ausgelagert. Durch ein solches Verfahren sollen die Rekristallisationshemmung, die Festigkeit und die Korrosionsbeständigkeit des Halbzeugs verbessert werden.
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Bei dem Einsatz von Aluminiumgussbauteilen, insbesondere im Fahrzeugbau, können durch Auswahl der Legierungsbestandteile die Materialeigenschaften der Legierung gesteuert werden. Dies ist aber nicht für jede erdenkliche Kombination von Materialeigenschaften möglich. So sind z. Bsp. Cu- und/oder Zn-haltige Aluminiumlegierungen statisch hochfest, weisen aber eine geringe dynamische Festigkeit sowie eine schlechte Korrosionsbeständigkeit auf. Somit sind diese Cu- und/oder Zn-haltigen Aluminiumlegierungen z. Bsp. für Aluminiumkarosserien weniger gut geeignet, da aufgrund der geringen dynamischen Festigkeit Einkerbungen, durch z. Bsp. einen Steinschlag, in der Fahrwerkskarosserie auftreten können, wobei zudem bei diesen Cu- und/oder Zn-haltigen Aluminiumlegierungen auch noch ungünstigerweise die Korrosionsbeständigkeit aufgrund der Cu- oder Zn-Beimengungen verschlechtert ist. Demgegenüber sind Aluminiumlegierungen mit Mg- und/oder Si-Beimengungen wesentlich besser korrosionsbeständig und weisen auch eine höhere dynamische Festigkeit auf, jedoch zeichnen sich solche Aluminiumlegierungen durch eine deutlich schlechtere statische Festigkeit aus. Zudem bilden ganz allgemein nicht alle Metallmischungen stabile Legierungen aus. Anhand dieses nicht abschließenden Beispiels wird es somit klar, dass allein aufgrund der Variation der Legierungsbestandteile nicht jede beliebige Kombination an Materialeigenschaften in der fertigen Aluminiumlegierung darstellbar ist.
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Dies führt unter anderem dazu, dass sich bei dem Nachbehandeln solcher Legierungen, wie z. Bsp. beim Umformen oder bei einer späteren Wärmebehandlung, die Materialeigenschaften der Legierung ändern können. Dies beruht im Wesentlichen auf einer Rekristallisation von Legierungskomponenten, wodurch ein grobkörnigeres bzw. spröderes und damit minderfestes Gefüge ausgebildet werden kann. Ganz allgemein ist jedoch die Änderung von Materialeigenschaften der Legierung unerwünscht, da dadurch ein Ausfall des aus der Legierung bestehenden Bauteils wahrscheinlicher wird. Dies ist insbesondere im Bereich von statisch und dynamisch hoch belasteten Gewinden und bei über solche Gewinde ausgebildeten Schraubverbindungen von Gussbauteilen aus Aluminiumlegierungen problematisch, da eine solche Änderung der Stoffeigenschaften zu einem Ausreißen von den Schraubverbindungen führen kann.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich nun mit dem Problem, für ein Verfahren zur Herstellung und Festigkeitssteigerung eines Verbundbauteils aus einer Aluminiumlegierung, eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch verbesserte Festigkeitseigenschaften einer Schraubverbindung zwischen zumindest zwei Bauteilen auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Verfahren zur Herstellung und Festigkeitssteigerung eines Verbundbauteils, das aus zumindest einem Gussbauteil aus einer Aluminiumlegierung und einem weiteren Gussbauteil, vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung, gebildet wird, wobei die Gussbauteile über eine Schraubverbindung miteinander verbunden werden, die Gussbauteile aus einer Aluminiumlegierung unterhalb eines Schmelzpunkts des metallischen Materials zu glühen und anschließend, insbesondere in Wasser, abzuschrecken. Nach dem Abschrecken wird zumindest an einem Gussbauteil aus einer Aluminiumlegierung ein Gewinde ausgebildet, so dass mit den Gussbauteilen unter Verwendung der Gewinde eine Schraubverbindung gebildet werden kann, wobei nachfolgend die mittels der Gewinde verbundenen Gussbauteile bei einer oberhalb einer späteren Betriebstemperatur liegenden Stabilisierungstemperatur stabilisiert werden. Durch ein solches Herstellungsverfahren können Hochleistungsgussbauteile aus einem Aluminium aufweisenden Material erzeugt und über eine Schraubverbindung miteinander verbunden werden, die eine deutlich höhere statische und dynamische Festigkeit und/oder eine verbesserte Gewindetragfähigkeit aufweisen. Insbesondere lassen sich dadurch im Verbundbauteil gegenüber dem derzeitig bekannten Stand der Technik eine um 20–60% erhöhte Streckgrenze, eine um ca. 20–60% erhöhte Dehnung und eine um ca. 10–40% erhöhte Dauerfestigkeit erreichen. Aufgrund dieser veränderten Materialeigenschaften lässt sich ein Downsizing der Gussbauteile durchführen, wodurch zum einen eine Gewichtsreduktion im fertigen Verbundbauteil erreicht wird und dies bei deutlicher Materialersparnis.
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Als Materialien kommen Gussbauteile aus einer Aluminiumlegierung zum Einsatz. Dabei kann die Aluminiumlegierung Si, Cu, Mg, Mn, Fe, Zn, Ti, V, Sr aufweisen, wobei bevorzugt AlSiCuMg-Legierungen und/oder AlSiCuMgMnFe-Legierungen verwendet werden. Es ist aber auch bezüglich der genannten Legierungsbestandteile jede beliebige Kombination und/oder dies auch in Kombination mit anderen Metallen und Halbmetallen denkbar, um eine Aluminiumlegierung zu erhalten, auf die obiges Verfahren mit analogen Ergebnisse anwendbar ist.
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In einem wesentlichen Verfahrensschritt des Herstellungsverfahrens werden die Gussbauteile einem Glühen unterhalb eines Schmelzpunkts des metallischen Materials unterzogen. Durch das Glühen werden gezielt definierte Materialeigenschaften der Aluminiumlegierung erzeugt.
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Der Vorteil der Glühbehandlung beruht im Wesentlichen auf Lösungsvorgängen niedrigschmelzender Phasen oberhalb 440°C und führt beim sogenannten Lösungsglühen zur Erhöhung der Duktilität im Aluminiumbauteil. Im weiteren Verfahren wird dieser Gefügezustand mittels Wasserabschrecken konserviert. Durch Lagerung des Aluminiumbauteils bei Raumtemperatur kommt es zusätzlich zur Stabilisierung durch Bildung von thermodynamisch stabilen Ausscheidungen im Mischkristall, wodurch Versetzungen im Metallgitter verhindert werden.
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In einer Ausführungsform wird bevorzugt das Lösungsglühen bzw. Homogenisieren angewendet. Dazu wird das Gussbauteil bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Aluminiumlegierung für eine gewisse Zeit getempert, um Legierungselemente homogen in der Matrix zu lösen und gleichmäßige, homogene Gefüge- und Werkstoffeigenschaften zu erhalten. Dadurch wird eine Änderung in der Kristallstruktur der Aluminiumlegierung gezielt eingestellt, wodurch die Duktilität des Werkstoffs erhöht wird ohne gleichzeitig auch eine Festigkeitssteigerung zu bewirken. Bevorzugt wird dieses Lösungsglühen bei einer Temperatur zwischen 100°C bis 150°C unterhalb des Schmelzpunktes der Aluminiumlegierung über 30 min bis 8 Stunden durchgeführt, insbesondere für 1–4 Stunden.
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Dem Verfahrensschritt des Glühens nachfolgend schließt sich ein Abschrecken der Gussbauteile an. Dabei kann das zuvor auf die Glühtemperatur erhitzte Metall durch Wasser, Öl oder durch Anblasen mit Aerosolen oder Gasen, wie z. B. Luft oder Inertgasen, kontrolliert abgekühlt werden, so dass die Legierung im Wesentlichen die Kristallstruktur der Glühtemperatur beibehält. Dadurch können die Gussbauteile gehärtet werden.
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In einem weiteren Verfahrensschritt werden die Gussbauteile nunmehr mit Gewinden versehen. Dabei kann ein solches Gussbauteil mit einem Innen- oder einem Außengewinde oder mit mehreren Gewinden versehen werden. Zur Herstellung der Schraubverbindung kann nun jeweils zumindest ein Gussbauteil mit einem Außengewinde in ein Gussbauteil mit einem Innengewinde eingeschraubt werden. Es ist auch denkbar zumindest zwei Gussbauteile mit einem Innengewinde über ein Gussbauteil mit einem Außengewinde oder über ein weiteres Bauteil mit einem Außengewinde miteinander zu verbinden. Ebenso ist es denkbar, weitere Bauteile aus Keramik, Kunststoffen oder weiteren Metallen für die Schraubverbindung zu verwenden.
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Anschließend wird das aus zumindest zwei Gussbauteilen hergestellte Verbundbauteil bei einer Stabilisierungstemperatur oberhalb der späteren Betriebstemperatur stabilisiert, wobei die plastische Deformation im Gussteil, infolge des durch Lösungsglühen und Abschrecken veränderten Gefüges, genutzt wird, um das Gewinde einer Bohrung an das Gewinde der Schraube verbessert anzupassen. Zusätzlich wirkt die Schraubverbindung verzugsminimierend für das Verbundbauteil und dient somit als geometrische Stabilisierung. Dieses Warmauslagern des Verbundbauteils bei der dementsprechenden Stabilisierungstemperatur führt zu einer weiteren Festigkeitserhöhung mit erhöhter Dauerfestigkeit durch reduzierte Kerbspannungen in der Schraubverbindung. Bevorzugt wird das so hergestellte Verbundbauteil bei einer Stabilisierungstemperatur stabilisiert, die ca. 20 bis 30% oberhalb der maximalen Betriebstemperatur des Verbundbauteils liegt. Der letzte Verfahrensschritt der Warmauslagerung bei einer Stabilisierungstemperatur führt bevorzugt an den stark unter Spannungen stehenden Stellen des verschraubten Gewindes zu einer positiven Änderung der Materialeigenschaften hinsichtlich der Reduzierung der Kerbspannungen im Bereich der Schraubverbindung.
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Vorteilhafterweise wird das zuvor beschriebene Verbundbauteil als Zylinderkurbelgehäuse ausgestaltet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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