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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmebehandeln eines Gussbauteils nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Solche Verfahren zum Wärmebehandeln von Gussbauteilen sind allgemein bekannter Stand der Technik.
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Beim Abkühlen von Gussbauteilen aus Aluminiumbasislegierungen nach dem Gießen scheidet sich eine intermetallische Phase in einer Matrix aus aluminiumreichen Mischkristallen ab. Beim System AlMgSi handelt es sich dabei beispielsweise um eine Mg2Si Phase, die in einer α-Mischkristallmatrix eingelagert wird. Diese intermetallische Phase beeinflusst die Härte des Gussbauteils nachteilig.
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Zur Verbesserung der Materialeigenschaften wird daher ein so genanntes Lösungsglühen durchgeführt, bei welchem das Gussbauteil auf eine Temperatur oberhalb der Sättigungslinie aber unterhalb der eutektischen Temperatur erhitzt und für eine vorgegebene Zeit gehalten wird. Während des Lösungsglühens löst sich die ausgeschiedene intermetallische Phase im aluminiumreichen Mischkristall.
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Um eine Wiederausscheidung der intermetallischen Phasen nach dem Lösungsglühen zu verhindern, wird das Bauteil nach der Glühbehandlung üblicherweise unmittelbar abgeschreckt. Nach dem Abschrecken kann noch eine Auslagerung erfolgen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Wärmebehandeln von Gussbauteilen bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bei einem derartigen Verfahren zum Wärmebehandeln eines Gussbauteils aus einer Aluminiumbasislegierung wird das Gussbauteil bei einer vorgegebenen Glühtemperatur für einen vorgegebenen Glühzeitraum in einem ersten Wärmeübertragungsmedium geglüht und anschließend abgeschreckt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Gussbauteil zwischen dem Glühen und Abschrecken in ein zweites Wärmeübertragungsmedium mit einer vorgegebenen Zwischenabkühltemperatur überführt und dort für einen vorgegebenen Zwischenabkühlzeitraum gehalten wird.
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Durch ein derartiges Verfahren wird die Temperaturführung und die damit einhergehende Gefügeveränderung des Gussbauteils während seiner Abkühlung besonders kontrollierbar gestaltet. Durch die geeignete Wahl von Zwischenabkühltemperatur und Zeitraum ist es möglich, beispielsweise bei magnesiumhaltigen Aluminiumlegierungen die Vorausscheidung des Magnesiumsilizids (Mg2Si) besonders gut zu kontrollieren.
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Vorzugsweise beträgt die Zwischenabkühltemperatur 150°C bis 380°C und insbesondere 175°C bis 185°C. Bei dieser Temperatur bleibt das zuvor gelöste Magnesiumsilzid weitgehend in Lösung und steht damit für die spätere Auslagerungsbehandlung vollständig zur Verfügung. Dazu ist es besonders zweckmäßig, einen Zwischenabkühlzeitraum von 3 s bis 10 min zu wählen.
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Besonders vorteilhaft ist die Anwendung eines solchen Zwischenabkühlschrittes, wenn während des Haltens des Gussbauteils im zweiten Wärmeübertragungsmedium eine besonders hohe Abkühlrate erzielt wird. Vorteilhaft sind insbesondere Abkühlraten von –55 bis –65 K pro s. Hierdurch wird ein besonders zuverlässiges Einfrieren des im Glühschritt gelösten Anteils erzielt.
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Um unerwünschte Gefügeveränderungen des Gussbauteils während der Überführung aus dem ersten in das zweite Wärmeübertragungsmedium zu vermeiden, ist es besonders vorteilhaft, diese Überführung besonders schnell durchzuführen. Vorzugsweise beträgt der Zeitraum für das Überführen des Gussbauteils aus dem ersten und das zweite Wärmeübertragungsmedium 0 s bis 15 s. Dies kann beispielsweise durch benachbart angeordnete Wärmebehandlungsvorrichtungen erzielt werden, wobei das Gussbauteil beispielsweise von einem Roboter unmittelbar und direkt zwischen den beiden Wärmeübertragungsmedien überführt wird.
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Unabhängig vom Zeitrahmen für die Überführung des Gussbauteils zwischen den beiden Wärmeübertragungsmedien ist zu beachten, dass während des Überführens des Gussbauteils aus dem ersten und das zweite Wärmeübertragungsmedium eine Temperatur des Gussbauteils oberhalb einer Temperatur von 450°C gehalten wird. Im Wesentlichen soll das Gussbauteil also Glühtemperatur beibehalten, so dass es nicht zu einer frühzeitigen, unkontrollierten Gefügeänderung kommt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn während des Überführens des Gussbauteils aus dem ersten und das zweite Wärmeübertragungsmedium die Temperatur des Gussbauteils oberhalb einer Temperatur von 420°C gehalten wird. Diese Temperatur hat noch einen hinreichenden Abstand zur Schwellentemperatur für die Ausscheidung, so dass ein Unterschreiten dieser Temperaturschwelle bei geeigneter Anlagenkonzeption vermieden werden kann, ohne dass zusätzliche Heizvorrichtungen im Überführungsbereich des Gussbauteils zwischen den beiden Wärmeübertragungsmedien notwendig werden. Selbstverständlich kann bei entsprechend langen Überführungsvorgängen auch eine solche Zwischenheizung vorgesehen sein, was sich beispielsweise mit Wärmestrahlern im Überführungsbereich zwischen den beiden Wärmeübertragungsmedien realisieren lässt.
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Das geschilderte Verfahren kann auch mit zusätzlichen Behandlungsschritten kombiniert werden. Es ist beispielsweise vorteilhaft, das Gussbauteil vor dem Abschrecken in ein drittes Wärmeübertragungsmedium mit einer vorgegebenen Auslagerungstemperatur zu überführen und dort für einen vorgegebenen Auslagerungszeitraum zu halten. Ein solches Verfahren kombiniert also das Glühen, beispielsweise ein Lösungsglühschritt, mit einer kontrollierten Abkühlung und mit einer unmittelbar folgenden Auslagerung, so dass mit einem derartigen Verfahren eine besonders kurze Taktzeit erzielt werden kann. Gleichzeitig wird die Restwärme des Gussbauteils nach der Entnahme aus dem zweiten Wärmeübertragungsmedium für die Auslagerung genutzt, so dass ein derartiges Verfahren besonders energiesparend ist. Durch die unmittelbare Koppelung von Glühen und Auslagern werden zudem unerwünschte Gefügeveränderungen vermieden, welche bei einer längerfristigen Zwischenlagerung des Gussbauteils bei Raumtemperatur auftreten könnten.
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Vorzugsweise beträgt die Auslagerungstemperatur während dieses Auslagerungsschrittes 160°3 bis 280°C. Der Auslager ungszeitraum wird vorzugsweise auf eine Zeit zwischen 1 min und 30 min festgelegt. Mit einem derartigen Verfahren lassen sich trotz der kurzen Auslagerungszeiten vergleichbare Materialqualitäten erzielen, wie mit einer konventionellen mehrstündigen Auslagerung. Dieses besonders schnelle Verfahren lässt sich daher vorteilhafterweise unmittelbar in Druckgussanlagen mit kurzen Taktzeiten integrieren, ohne dass eine logistisch aufwendige Zwischenlagerung oder Pufferung der Gussbauteile notwendig wird.
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Da sich die Temperaturbereiche für die Zwischenabkühlung und die Auslagerung überschneiden, kann gegebenenfalls auf ein Auslagern in einem dritten Wärmeübertragungsmedium verzichtet werden. Das Gussbauteil wird dann stattdessen für den gewünschten Auslagerungszeitraum nach dem Zwischenabkühlen im zweiten Wärmeübertragungsmedium gehalten, so dass die Schritte des Zwischenabkühlens und Warmauslagerns zu einem einzigen Verfahrensschritt zusammengefasst werden. Dies ermöglicht eine besonders ökonomische Durchführung des Verfahrens.
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Der Glühschritt des Verfahrens wird vorzugsweise als Lösungsglühschritt durchgeführt, bei welchem sich ausgeschiedene Legierungselemente in aluminiumreichen Mischkristallen des Gussbauteils lösen und das eutektische Silizium eingeformt wird. Hierzu wird eine Glühtemperatur von 460°C bis 540°C und insbesondere von 485°C bis 495°C gewählt. Der Glühzeitraum beträgt hierbe i 10 s bis 10 min, insbesondere 1,5 min bis 3 min und besonders bevorzugt 2 min. Es ist besonders zweckmäßig, das Gussbauteil unmittelbar nach dem Entformen, also aus der Gießhitze, in das erste Wärmeübertragungsmedium zu überführen. Durch den Verzicht auf eine Aufheizung von Raumtemperatur aus können die genannten besonders schnellen Glühzeiten realisiert werden.
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Als erstes und/oder zweites und/oder drittes Wärmeübertragungsmedium kann bewegte Luft Anwendung finden, was apparativ besonders einfach ist. Besonders zweckmäßig ist es jedoch, für die genannten Wärmeübertragungsmedien Salzbäder zu verwenden. Salzbäder ermöglichen aufgrund ihrer hohen Wärmekapazität ein besonders schnelles Aufheizen bzw. Abkühlen von behandelten Gussbauteilen. Da auf langfristige Aufheiz- bzw. Abkühlphasen verzichtet werden kann, ermöglicht die Verwendung von Salzbädern eine besonders hohe Taktrate von Fertigungsanlagen, die derartige Verfahren zur Anwendung bringen. Das Salz nimmt zudem Trennmittel, die während des Gusses Verwendung finden, von der Oberfläche des Gussbauteils auf, so dass auf zusätzliche Reinigungsschritte verzichtet werden kann. Die besonders gute Oberflächenqualität, die so erzielt wird, verbessert zudem die Schweißbarkeit der Gussbauteile.
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Da im Rahmen des geschilderten Verfahrens das Bauteil unmittelbar aus dem zweiten bzw. dritten Wärmebehandlungsmedium in einem Wasserbad abgeschreckt wird, kann eventuell noch an der Oberfläche des Gussbauteils anhaftendes Salz nicht auskristallisieren, sondern haftet zum Zeitpunkt des Eintauchens des Gussbauteils in das Wasserbad noch flüssig an dessen Oberfläche. Das Salz löst sich daher unmittelbar und besonders leicht im Wasser des Wasserbades auf, so dass auf eine spätere Reinigung des Gussbauteils von Salzresten bzw. einer Salzkruste verzichtet werden kann.
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Als Salz für das Salzbad wird bevorzugt eine Salzschmelze verwendet, welche Natriumnitrat und/oder Kaliumnitrat und/oder Natriumnitrit enthält.
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Um eine besonders gute Reinigung des Gussbauteils von anhaftenden Salzresten zu erzielen, wird zum Abschrecken vorzugsweise ein Wasserbad mit einer Temperatur von 40°C bis 60°C verwendet. Durch die gegenüber der Raumtemperatur leicht erhöhte Temperatur des Wasserbades wird eine besonders gute Löslichkeit des Salzes, welches noch am Gussbauteil anhaftet, gewährleistet. Die Reinigung des Gussbauteils von Salzresten kann zudem durch eine Umwälzung des Wasserbades verbessert werden.
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Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung des Ablaufs eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens und
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2 eine grafische Darstellung des Temperaturverlaufs während der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Nach dem Gießen eines Gussbauteils 10 aus einer Aluminiumbasisiegierung wird dieses aus der Gussform 12 entformt und in ein erstes Salzbad 14 überführt. Das Salzbad 14 enthält eine Schmelze eines Gemisches aus Alkalimetallnitraten und -nitriten bei einer Temperatur T1 von etwa 490°C. Das Gussbauteil 10 wird im ersten Salzbad 14 für eine Zeit t1 von etwa 2 min gehalten. Die Behandlung des Gussbauteils 10 im Salzbad 14 entspricht einem Stoßglühen, bei welchem sich Legierungselemente im aluminiumreichen Mischkristall des Gussbauteils 10 lösen. Um den gewünschten Effekt zu erzielen, muss die Temperatur T1 vorzugsweise oberhalb der Sättigungslinie des Metallgemischs des Gussbauteils 10 jedoch stets unterhalb der eutektischen Temperatur ϑE liegen.
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Die Salzschmelze des Salzbades 14 löst zudem auf der Oberfläche des Gussbauteils 10 gebundene, während des Gießens verwendete Trennmittel. Dieser Reinigungseffekt verbessert die Oberflächenqualität des Gussbauteils 10 und führt zu einer verbesserten Schweißbarkeit.
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Nach dem Stoßglühen des Gussbauteils 10 im Salzbad 14 wird das Gussbauteil 10 in ein weiteres Salzbad 16 überführt. Auch dieses Salzbad enthält eine Schmelze aus gemischten Alkalimetallnitraten und -nitriten, deren Temperatur T2 bei etwa 180°C liegt. Hierbei ist zu beachten, dass die Überführung des Gussbauteils 10 zwischen den Salzbädern 14 und 16 in einem kurzen Zeitraum t2 von höchstens 15 s erfolgt, um ein zu tiefes Abkühlen des Gussbauteils 10 zu vermeiden.
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Die Temperatur des Salzbades 16 liegt unterhalb der Schwellentemperatur für die Ausscheidung des Magnesiumsilizids in Aluminium-Silizium-Magnesiumlegierungen, welche in etwa 240°C bis 250°C beträgt. Der im GI ühschritt, also während der Behandlung des Gussbauteils 10 im Salzbad 14 gelöste Anteil wird durch den schnellen Transfer und das Halten im zweiten Salzbad 16 eingefroren, so dass die üblicherweise infolge der mit sinkender Temperatur fallenden Löslichkeit des aluminiumreichen Mischkristalls einsetzende Ausscheidung von intermetallischen Phasen, wie beispielsweise Al2Cu oder Mg2Si unterbunden wird. Aufgrund der guten Wärmekapazität des geschmolzenen Salzes kann im Salzbad 16 eine Abkühlrate von in etwa –60 Ks–1 erzielt werden.
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Nach einer Haltezeit t3 von 3 s bis 10 min im Salzbad 16 wird das Gussbauteil 10 schließlich in ein weiteres Salzbad 18 überführt und dort wieder auf eine Temperatur T3 von 160°C bis 280°C abgekühlt bzw. erhitzt und für eine Zeit t4 von etwa 10 min gehalten. Die Behandlung im dritten Salzbad 18 kann hierbei eine Auslagerung ersetzen.
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Anstelle einer Auslagerung im weiteren Salzbad 18 kann die Auslagerung auch nach dem Zwischenabkühlen im Salzbad 16 durchgeführt werden. Nach der Haltezeit t3 wird dann das Gussbauteil 10 für einen weiteren Zeitraum t4 im Salzbad 16 gehalten. Auf ein drittes Salzbad 18 kann dann vollständig verzichtet werden. Nach der Auslagerung im Salzbad 16 kann das Gussbauteil 10 direkt in ein Wasserbad 20 zum Abschrecken überführt werden.
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Durch das Stoßglühen und die kurze Auslagerungszeit t4 wird so eine besonders schnelle Wärmebehandlung des Gussbauteils 10 ermöglicht. Durch die schnelle und direkte Überführung des Gussbauteils 10 aus der Gussform 12 in das Salzbad 14, bzw. zwischen den Salzbädern 14, 16, 18 geht zudem keine Energie durch Abkühlung des Gussbauteils verloren, so dass das geschilderte Verfahren zudem energetisch besonders effizient ist.
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Nach Beendigung der Auslagerung im Salzbad 18 wird das Gussbauteil 10 schließlich in ein Wasserbad 20 bei einer Temperatur von etwa 40°C bis 60°C überführt. Auch die Überführung zwischen dem Salzbad 18 und dem Wasserbad 20 geschieht bevorzugt schnell, d. h. in einem Zeitraum von wenigen Sekunden, um ein Auskristallisieren der Salzschmelze auf der Oberfläche des Gussbauteils 10 zu verhindern. Da am Gussbauteil anhaftende Salzreste so in geschmolzener Form in das Wasserbad 20 überführt werden, lösen sich die Salzreste besonders gut, so dass auf eine zusätzliche Reinigung des Gussbauteils 10 verzichtet werden kann. Durch die Temperierung des Wasserbades auf 40°C bis 60°C wird die Auflösung anhaftenden Salzes noch gefördert. Eine zusätzliche Verbesserung der Löslichkeit von Salzresten kann durch Agitieren des Wasserbades 20 erzielt werden.
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Das Verfahren ist selbstverständlich nicht auf die vorstehend beschriebene T6-Glühung beschränkt. Alternativ kann im Rahmen der Erfindung beispielsweise auch eine Weichglühung durchgeführt werden, bei welchem das Gussbauteil 10 nach dem Lösungsglühen auf eine Temperatur zwischen 280°C u nd 420°C, bevorzugt zwischen 300°C und 380°C abgeschreckt und 2 min bis 20 min gehalten wird. Im Anschluss daran erfolgt unmittelbar das Abschrecken im Wasserbad 20.
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Insgesamt ist so ein Verfahren zum Wärmebehandeln von Gussbauteilen 10 geschaffen, welches schnell und energieeffizient ist und aufgrund der kurzen Behandlungszeiten Verzüge der Gussbauteile 10 weitestgehend minimiert. Nach der Behandlung im Wasserbad 20 können weitere mechanische Behandlungsschritte wie das Entfernen von Gießresten, Entgraten oder Richten des Gussbauteils folgen. Die kurzen Verweilzeiten des Gussbauteils 10 in den Salzbädern 14, 16, 18 sowie im Wasserbad 20 ermöglichen die unmittelbare Integration der Wärmebehandlung in den Gießprozess und die Anpassung der Wärmebehandlungsschritte an die Taktzeiten des Gießwerkzeugs 12, so dass zudem auf Pufferöfen, logistisch aufwendige Zwischenlagerschritte und dergleichen verzichtet werden kann.
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Neben der geschilderten dreistufigen Behandlung durch Lösungsglühen, Zwischenabkühlen und Auslagern ist auch eine zweistufige Behandlung von Gussbauteilen möglich, bei der die Auslagerung und das Zwischenabkühlen in einem einzigen Schritt zusammengefasst werden. Das Lösungsglühen wird hier für einen Zeitraum von 2–4 Minuten bei 490°C–510°C, vor zugsweise bei 500°C, durchgeführt. Auch in dieser Variante des Verfahrens wird hierzu vorzugsweise ein Salzbad 14 der beschriebenen Art verwendet. Unmittelbar nach dem Lösungsglühen wird das Gussbauteil 10 in ein weiteres Salzbad 16 überführt und dort ebenfalls für 2–20 Minuten, vorzugsweise von 2–12 Minuten und besonders bevorzugt von 2–6 Minuten bei einer Temperatur zwischen 180°C und 300°C, vorzugsweise zwischen 220°C und 300°C gehalten. Besonders zweckmäßig is t eine Temperatur von 240°C bis 280°C, insbesondere Temperaturen von 240°C un d 260°C. Nach diesem Behandlungsschritt erfolgt noch ein Abschrecken des so behandelten Gussbauteils 10 im Wasserbad. Auf diese Art lassen sich besonders schnell die gewünschten Materialeigenschaften des Gussbauteils 10 erhalten.
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Das beschriebene Verfahren eignet sich grundsätzlich für alle Druckgusslegierungen auf Aluminiumbasis, insbesondere für Aluminium-Silizium-Legierungen mit Magnesiumanteil. Für Bauteile mit besonders hohen Duktilitätsanforderungen kann beispielsweise eine Legierung der folgenden Zusammensetzung verwendet werden:
| Silicium | 9,5–11,5 Gew.-%; |
| Mangan | 0,3–0,7 Gew.-%; |
| Eisen | 0,15–0,35 Gew.-%; |
| Magnesium | 0,15–0,6 Gew.-%; |
| Titan | max. 0,1 Gew.-%; |
| Strontium | 90–180 Gew.-ppm; |
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Sowie wahlweise mit:
| Chrom | 0,1–0,3 Gew.-%; |
| Nickel | 0,1–0,3 Gew.-%; |
| Cobalt | 0,1–0,3 Gew.-%; |
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Der restliche Anteil der Legierung besteht dabei aus Aluminium mit einzeln nicht mehr als 0,05 Gew.-% und insgesamt nicht mehr als 0,2 Gew.-% herstellungsbedingten Verunreinigungen.
