DE102011105447A1

DE102011105447A1 - Verfahren zur Wärmebehandlung von Aluminium-Druckgussteilen sowie hiermit hergestellte Aluminium-Druckgussteile und eine hierfür geeignete Gießzelle

Info

Publication number: DE102011105447A1
Application number: DE102011105447A
Authority: DE
Inventors: Marc Hummel; Steffen Otterbach
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2011-06-24
Filing date: 2011-06-24
Publication date: 2012-12-27
Anticipated expiration: 2031-06-25
Also published as: DE102011105447B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Aluminium-Gussteilen (1), umfassend folgende Verfahrensschritte: a) Lösungsglühen der Aluminium-Gussteile (1) mit einer Temperatur zwischen 460°C und 510°C für 1 min bis 20 mm, b) Abschrecken der Aluminium-Gussteile (1) auf eine Abschrecktemperatur, und c) Auslagerung der Aluminium-Gussteile (1) in einer ersten und wenigstens einer darauffolgenden zweiten Stufe mit unterschiedlichen Temperaturwerten für höchstens 90 mm, vorzugsweise für höchstens 75 mm. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Gussteilen unter Verwendung des erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahrens und schließlich eine Gießzelle, welche zur Herstellung solcher Aluminium-Gussteile geeignet ist

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Aluminium-Gussteilen, ferner ein Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Gussteilen unter Verwendung des erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahrens und schließlich eine Gießzelle, welche zur Herstellung solcher Aluminium-Gussteile geeignet ist.
Im Fahrzeugbau hat die Notwendigkeit zur Gewichtsreduzierung den Einsatz von Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium und Magnesium gefördert. Der Einsatz von Aluminium-Gussteile für Karosserie- und Fahrwerksteile führen zu einer hohen Gewichtseinsparung, wobei insbesondere Aluminium-Druckgussteile für den Fahrzeugbau herangezogen werden.
Die meisten Aluminium-Gusslegierungen können nach dem Abguss durch eine Wärmbehandlung gezielt in ihrem Eigenschaftsprofil verändert werden, wobei die Wärmebehandlungszustände in der Europäischen Norm EN515 definiert sind. Normgemäß bedeuten bspw. der Buchstaben T eine Wärmebehandlung auf stabile Zustände, wobei die nachfolgende Ziffer den jeweiligen Wärmebehandlungszustand kennzeichnet. In der Regel werden T6- oder T7-Wärmebehandlungen verwendet, welche durch die Prozessstufen Lösungsglühen, Abschreckung und Auslagerung gekennzeichnet sind. Der Zustand T6 bezeichnet eine Warmauslagerung, während der Zustand T7 auf einen durch lange Auslagerung auftretenden Überalterungszustand hinweist.
Ein bekanntes Wärmbehandlungsverfahren für Aluminium-Gusslegierungen ist bspw. aus der DE 101 06 640 A1 bekannt.
Typischerweise wird dieser Wärmebehandlungsprozess in einer von der Gießanlage separat stehenden Wärmebehandlungsöfen durchgeführt. Diese können in Form von Durchlaufanlagen oder Batch- bzw. Kammeröfen gestaltet sein. Die Bauteile werden hier in großvolumigen Gestellen aufgenommen, um Verzüge gering zu halten.
Die Durchlaufanlagen gliedern sich in eine Lösungsglühzone, bestehend aus einer Kammer oder in Abhängigkeit der benötigten Ausbringmenge mehreren Kammern, einer Abschreckzone, die üblicherweise mit Luft- oder Wasserabschreckung betrieben wird, und aus einer Auslagerungszone, die ebenfalls abhängig von der Ausbringmenge aus mehreren Kammern bestehen kann.
Ein Batchofen besteht aus einer Lösungsglühkammer oder in Abhängigkeit der benötigten Ausbringmenge mehreren separaten Lösungsglühkammern, einer in der Regel verfahrbaren Abschreckkammer und mehreren separaten Auslagerungskammern.
Die Wärmebehandlung von Aluminiumgussteilen ist mit bekannten Nachteilen verbunden, wie bspw. ein Bauteileverzug aufgrund einer hohen Glühtemperatur und insbesondere durch das Abschrecken mit Wasser. Ferner ist auch mit Wärmebehandlungsausschuss aufgrund von Blisterbildung und Porositäten zu rechnen.
Übliche Parameter für das Lösungsglühen sind Temperaturen im Bereich von 460 bis 500°C bei einer Dauer von 1 bis 3 h. Die anschließende Abschreckung erfolgt meist durch bewegte Luft, um innere Spannungen im Bauteil zu vermeiden und somit den Verzug gering zu halten. Die Auslagerung geschieht häufig bei Parametern von 160 bis 240°C und 2 bis 8 h. Beim Lösungsglühen wie auch bei der Auslagerung werden in der Regel sofort die Endtemperaturen nach der jeweiligen Aufheizung erreicht. Resultierend aus diesen Einzelprozessen beträgt die Gesamtprozesszeit mehr als drei Stunden.
Die Aufheizzeiten betragen bei herkömmlichen Wärmebehandlungsanlagen 10 bis 20 min pro Wärmebehandlungszone. Hierbei müssen das Gestell und die zu behandelnde Gussbauteilcharge aufgeheizt werden.
In der Regel werden für hochbeanspruchte Kraftfahrzeugbauteile häufig Legierungen wie AlMg4–6%Si1–3% als auch AlSi6–11,5%Mg0,25–0,5% eingesetzt, wobei der Anteil von Mg von den zu erreichenden mechanischen Kennwerten abhängt.
Die erzielten mechanischen Werkstoffeigenschaften, welche durch die Wahl der Parameter eingestellt werden können, liegen üblicherweise im folgenden Intervall:

– 0,2%-Dehngrenze (R_p0,2): 120 bis 180 MPa
– Zugfestigkeit (R_m): 180 bis 250 MPa
– Bruchdehnung (A5): 7 bis 15%.

Hierbei werden thermische Stabilitäten in Abhängigkeit der Auslagerungszeiten erreicht. Dazu gibt es üblicherweise Anforderungen für die Kurzzeitwärmestabilität. Dabei wird die Stabilität des Bauteilmaterials im Weiterverarbeitungsprozess simuliert. Übliche Temperaturen für den Test liegen bei 170 bis 210°C für ca. 0,5 bis 2 h. Die Langzeitwärmestabilitätsprüfung simuliert den Wärmeeintrag während des Bauteillebens in der Nutzungsphase. Hierbei werden für den Test üblicherweise folgende Parameter herangezogen: 120 bis 160°C für 500 bis 2000 h.
Aus der EP 1 442 150 B1 ist ein Wärmebehandlungsverfahren für Al-Si-Legierungen offenbart, mit welchem die Duktilität des Werkstoffs signifikant erhöht wird, indem das Lösungsglühen als Stoßglühbehandlung bestehend aus einer Schnellerwärmung auf eine Glühtemperatur von 400 bis 555°C, einem Halten bei dieser Temperatur mit einer Haltezeit von höchstens 14,8 min und einer anschließenden forcierten Abkühlung auf im Wesentlichen Raumtemperatur durchgeführt wird. Die damit erzielten Vorteile bestehen in einer einfachen Hochtemperatur-Kurzzeitglühung mit höchsten Duktilitätswerten, in einem geringen bis keinen Bauteilverzug, so dass ggf. auf ein Richten verzichtet werden kann. Die Einstellung der Materialfestigkeit kann danach mittels einer Warmauslagerung erfolgen, wobei als Parameter eine Temperatur zwischen 150 und 200°C mit einer Haltedauer von 1 bis 14 h vorgeschlagen wird.
In der DE 10 2008 055 928 A1 ist eine neue niedrig Si-haltige AlSiMg-Gusslegierung AlSi3Mg0,6 beschrieben, welche für Fahrwerksanwendungen optimale Materialeigenschaften, insbesondere gegenüber gängigen Legierungen wie AlSi7Mg oder AlSi11Mg aufweist. Ferner wird in dieser DE 10 2008 055 928 A1 darauf hingewiesen, dass die Haltedauer für das Lösungsglühen nicht nur von der Legierung, sondern auch von der Beschaffenheit des Gefüges und dadurch vom Gießverfahren abhängt. Da die aushärtenden Bestandteile bei feinem Gefüge diffusionsbedingt schneller in Lösung gehen, werden bei dünnwandigem Guss kürzere (üblich zwischen 4 und 10 h), bei dickwandigem Guss längere Lösungsglühzeiten bis 16 h gewählt. Insbesondere sei es bekannt, dass bei Kokillenguss von AlSi7Mg die Dauer des Lösungsglühens signifikant auf unter eine Stunde reduzierbar ist, wenn Si und Mg im α-Mischkristall gleichmäßig verteilt sind.
Schließlich ist in dieser DE 10 2008 055 928 A1 eine bekannte Variante der Wärmebehandlung bei AlSi-Legierungen beschrieben, die weniger auf eine Aushärtung durch die intermetallische Phase Mg₂Si abzielt, sondern primär eine Einformung des unveredelten oder veredelten eutektischen Siliziums bezweckt und als sogenannte Kurzzeitwärmebehandlung (SST) in der Literatur bezeichnet wird. Bei einem kurzzeitigen Lösungsglühen bei 540°C kann in AlSi7Mg bereits nach wenigen Minuten (3–30 mm) eine Einformung des eutektischen Siliziums festgestellt werden. Eine SST-Behandlung eignet sich für Druckguss, Thixoforming oder dünnwandigen Kokillenguss, da sich hierbei die Bauteile rasch auf Lösungsglühtemperatur bringen lassen.
Da lange Prozesszeiten mit hohen Kosten, insbesondere Energiekosten verbunden sind, besteht in der Fachwelt generell der Wunsch nach Wärmebehandlungsverfahren, die zu kurzen Prozesszeiten führen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Aluminium-Gussteilen, insbesondere Aluminium-Druckgussteilen mit einer kurzen Gesamtprozesszeit, also beginnend von einem Lösungsglühen über die Abschreckung bis zur Auslagerung anzugeben, ohne dass dadurch eine wesentlich Verschlechterung hinsichtlich der Festigkeit im Vergleich zu einer T6- oder T7-Wärmebehandlung in Kauf genommen werden muss.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminium-Gussteils, insbesondere eines Aluminium-Druckgussteils anzugeben sowie eine hierfür geeignete Gießzelle.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Dieses erfindungsgemäße Verfahren zur Wärmebehandlung von Aluminium-Gussteilen umfasst folgende Verfahrensschritte:

a) Lösungsglühen der Aluminium-Gussteile mit einer Temperatur zwischen 460°C und 510°C für 1 min bis 20 min,
b) Abschrecken der Aluminium-Gussteile auf eine Abschrecktemperatur, und
c) Auslagerung der Aluminium-Gussteile in einer ersten und wenigstens einer darauffolgenden zweiten Stufe mit unterschiedlichen Temperaturwerten für höchstens 90 min, vorzugsweise für höchstens 75 mm.

Diese erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich besonders durch eine kurze Gesamtprozesszeit von 0,25 bis 2 h aus, wobei hierzu nicht nur eine Kurzzeitglühung, sondern auch eine Kurzzeitauslagerung beiträgt.
Durch den mehrstufigen Auslagerungsprozess hat sich gezeigt, dass die metallurgisch ablaufende Effekte im Materialgefüge besser kontrolliert werden können und dadurch eine Optimierung hinsichtlich der zu erreichenden mechanischen Eigenschaften ermöglicht wird. Bei der Auslagerung erfolgt die Festigkeitssteigerung durch das Ausscheiden der aushärtenden Elemente, insbesondere des Magnesiums, wobei bei niedriger Temperatur sich viele fein verteilte Keime dieser aushärtenden Elemente bilden, deren Größe und Anzahl von der Temperatur abhängig ist, während bei höherer Temperatur ein beschleunigtes Keimwachstum bewirkt wird und deshalb kurze Prozesszeiten realisiert werden können.
Die kurzen Prozesszeiten der einzelnen Verfahrensstufen, insbesondere das Kurzzeitglühen bewirken bzw. bewirkt eine Minimierung von Verzüge verursachenden Kriechvorgänge. Hieraus resultiert für die Aluminium-Gussteile eine sehr hohe Maßhaltigkeit und hohe Reproduzierbarkeit.
Die mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Aluminium-Gussteile weisen typischerweise folgende mechanischen Kennwerte auf:

– 0,2%-Dehngrenze (R_p0,2): 120 bis 210 MPa
– Zugfestigkeit (R_m): 180 bis 300 MPa
– Bruchdehnung (A5): 7 bis 20%.

Die höheren Endwerte gegenüber den mit den bisher bekannten Wärmebehandlungsverfahren erzielbaren Werten sind in der feineren Verteilung der aushärtenden Phasen in dem Material zu begründet. Ferner zeichnen sich solche wärmebehandelten Aluminium-Gussteile durch eine sehr gute Kurz- und Langzeitstabilität aus. Zusätzlich sind diese Aluminium-Gussteile sehr gut nietbar und erfüllen die Anforderungen an eine sehr gute Crash-Energie-Absorption.
Vorzugsweise werden die Aluminium-Gussteile auf Raumtemperatur abgeschreckt, jedoch kann die Abschrecktemperatur auch zwischen der Raumtemperatur und der Temperatur der nachfolgenden ersten Stufe der Auslagerung gewählt werden. Die Abschrecktemperatur entspricht also wenigstens der Temperatur der nachfolgenden ersten Stufe der Auslagerung, wodurch sich die Gesamtprozesszeit verkürzen lässt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Auslagerungstemperatur der ersten Stufe der Auslagerung gemäß Verfahrensschritt c) niedriger ist als die Temperatur der darauffolgenden Auslagerungsstufe. Damit werden zunächst fein verteilte Keime der aushärtenden Elemente erzeugt, die dann aufgrund der höheren Temperatur in der darauffolgenden Stufe zum beschleunigten Wachsen angeregt werden, wodurch sich kurze Prozesszeiten realisieren lassen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung lassen sich hohe Endwerte der mechanischen Kennwerte erzielen, wenn für die erste Stufe der Auslagerung gemäß Verfahrensschritt a) ein Temperaturbereich von 120°C bis 250°C, vorzugsweise von 150°C bis 190°C vorgesehen ist und weiterbildungsgemäß für die zweite Stufe der Auslagerung gemäß Verfahrensschritt c) ein Temperaturbereich von 180°C bis 300°C, vorzugsweise von 190°C bis 240°C vorgesehen ist.
Die Haltezeiten der einzelnen Auslagerungsstufen gemäß Verfahrensschritt c) können gemäß einer Weiterbildung der Erfindung mit jeweils einer Haltezeit für die erste und zweite Auslagerungsstufe von 5 min bis 75 min, vorzugsweise mit jeweils 15 min bis 45 min durchgeführt werden. Vorzugsweise können für die Stufen der Auslagerung gemäß Verfahrensschritt a) auch gleiche Zeitdauern vorgesehen werden. Dies ist besonders bei einer Durchlaufanlage aufgrund von Kammerwechseln sinnvoll. Natürlich ist es auch möglich für jede Stufe der Auslagerung unterschiedliche Haltezeiten vorzusehen.
Besonders vorteilhaft ist es gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung für das Lösungsglühen einen hohen Temperaturbereich vorzusehen, insbesondere einen Bereich von 480°C bis 500°C. Dabei werden besonders gute Ergebnisse erzielt, wenn weiterbildungsgemäß für das Lösungsglühen eine hohe Aufheizrate mit einer Aufheizdauer von höchstens 10 min vorgesehen wird.
Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 8, Hiernach umfasst dieses Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Gussteilen, insbesondere Aluminium-Druckgussteile folgende Verfahrensschritte:

– Gießen des Aluminium-Gussteiles mittels einer Druckgießmaschine, und
– Durchführung der Verfahrensschritte a) bis c) des erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahrens.

Dieses Verfahren zeichnet sich also dadurch aus, dass aufgrund der kurzen Prozesszeiten für Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern eine Integration dieser Wärmebehandlungsschritte in die Gießzelle einer Druckgießmaschine erfolgt. Damit ergibt sich die Möglichkeit variierende Reihenfolgen der Prozessschritte Stanzen, Lösungsglühen mit Abschrecken und Auslagern zu realisieren. Zur Nachbehandlung der Aluminium-Gussteile wird nach dem Gießen ein Stanzvorgang durchgeführt, um Gussteile vom Abguss zu trennen, Formtrenngrate und ggf. vorgegossene Durchbrüche zu stanzen.
So wird gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung nach dem Gießvorgang ein Stanzvorgang mittels einer Stanzeinheit durchgeführt und anschließend die Verfahrensschritte a) bis c).
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird nach dem Abschrecken gemäß Verfahrensschritt b) ein Stanzvorgang mittels einer Stanzeinheit durchgeführt und anschließend Verfahrensschritt c). Dies führt zu einem Aluminium-Gussteil mit hoher Maßgenauigkeit, da einerseits beim Lösungsglühen die Angusssysteme noch vorhanden sind und andererseits die bei der Lösungsglühung entstandenen Verzüge durch ein Kalibrieren im Stanzwerkzeug im weichen geglühten Materialzustand kompensiert werden können. Ein weiterer Vorteil besteht in einer geringeren Aufheizzeit für das Lösungsglühen, das das Gussteil im warmen Zustand direkt aus dem Gießprozess in den Wärmebehandlungsprozess überführt wird, ohne durch einen Stanzvorgang unterbrochen zu werden.
Schließlich ist es nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch möglich, erst nach Durchführung der Verfahrensschritte a) bis c) einen Stanzvorgang mittels einer Stanzeinheit durchzuführen. Auch hierdurch sind die Verzüge minimiert, da beim Lösungsglühen die Angusssysteme noch vorhanden sind.
Schließlich wird die drittgenannte Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
Hiernach umfasst zur Durchführung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens eines Aluminium-Gussteiles eine Druckgießmaschine, eine Stanzeinheit und eine Handhabungsvorrichtung zum Transport der Aluminium-Gussteile aufweisende Gießzelle eine Wärmebehandlungsvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahrens mit den Verfahrensschritten a) bis c), wobei weiterbildungsgemäß der letzte Verfahrensschritt c) der Auslagerung auch außerhalb der Gießzelle durchgeführt werden kann.
Aufgrund des kurzen Wärmebehandlungsprozesses eines Aluminium-Gussteiles ist damit eine Integration des erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsprozesses in eine Gießzelle möglich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Wärmebehandlungsvorrichtung zur Durchführung einer Einstück-Wärmebehandlung ausgebildet.
Hierdurch ergeben sich bei der Wärmebehandlung in luftumgewälzten Öfen und luftgebundener Abschreckung neue Möglichkeiten hinsichtlich Aufheiz- und Abkühlraten. Die Aufheizraten können bei einfachen Aufnahmen für die Aluminium-Gussteile mit wenig Einsatz von zu erwärmender Gestellmasse sowie wenig Bauteilmasse bei einem kleinen Ofenraum deutlich erhöht werden. Hier sind bei dünnwandigen Aluminium-Gussteilen Aufheizzeiten von weniger als 10 min möglich.
Auch das Abschrecken kann bei einer Einstück-Behandlung mit einer hohen Abkühlrate nach dem Lösungsglühen durchgeführt werden, da hierfür lediglich ein einziges Aluminium-Gussteil in einer sehr einfachen Aufnahme abzukühlen ist. Im Gegensatz hierzu werden im Stand der Technik typischerweise mehrere hundert Kilo Gestellgewicht sowie eine Teileanzahl von ca. 10–100 Stück auf einmal abgekühlt, weshalb die Abkühlung bei einer technisch noch umsetzbaren Luftmenge begrenzt ist. Aufgrund der kleineren abzukühlenden Masse bei der Einstück-Wärmebehandlung sind bei gleichem Volumenstrom eine weit höhere Abkühlrate und somit weit höhere Materialfestigkeiten erreichbar.
Wegen der Einstück-Wärmebehandlung können die Wärmebehandlungsöfen für die Kurzzeitglühung wesentlich kleiner und kompakter gebaut werden. Dies führt zu geringeren Investitionskosten gegenüber konventionellen Wärmebehandlungsanlagen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie von aus dem Stand der Technik bekannte Vergleichsverfahren unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
1 ein Zeit-Temperatur-Diagramm mit einer Wärmebehandlungskurve gemäß der Erfindung im Vergleich mit einer Wärmebehandlungskurve gemäß Stand der Technik, und
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Gießzelle zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Einen typischen Verlauf einer aus dem Stand der Technik bekannten Wärmebehandlung zeigt das Zeit-Temperatur-Diagramm gemäß 1 mit einer Kurve K2. Im Vergleich hierzu ist ein typischer Verlauf einer Wärmebehandlung gemäß der Erfindung mit einer Kurve K1 dargestellt, wobei beide Wärmebehandlungsverfahren im Zeitpunkt t₀ beginnen.
Aus 1 ist ersichtlich, dass eine wesentliche Verringerung der Gesamtprozesszeit mit dem erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahren um Δt erzielt wird, die nunmehr zwischen 0,25 und 2 h beträgt.
Der erfindungsgemäße Wärmebehandlungsprozess beginnt gemäß Kurve K1 mit dem Lösungsglühen bei einer hohen Temperatur T₀ zwischen 460 und 510°C, insbesondere zwischen 480 und 500°C, wobei für das erfindungsgemäße Wärmebehandlungsverfahren eine kürzere Aufheizrate gemäß Kurve K1 im Vergleich zu dem bekannten Verfahren (Kurve K2) realisiert wird und weniger als 10 min bis zur Haltetemperatur T₀ betragen sollte.
Der Wärmebehandlungsprozess gemäß Kurve K1 beginnt bei Raumtemperatur RT. Jedoch ist es auch möglich, das Lösungsglühen mit einer Ausgangstmperatur auf höherem Niveau als der Raumtemperatur RT, bspw. zwischen 200 und 300°C zu starten, wie dies mit einer Kurve K3 in 1 angedeutet ist. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn wie weiter unten erläutert, ein Stanzvorgang nicht direkt auf das Gießen folgt, sondern erst nach dem Lösungsglühen, Damit wird natürlich auch die Aufheizdauer auf die Temperatur des Lösungsglühen gegenüber bekannten Verfahren weiter reduziert.
Die Haltedauer für das Lösungsglühen gemäß der Kurve K2 dauert bis zum Zeitpunkt t₂₁, an den sich das Abschrecken auf Raumtemperatur RT bis zum Zeitpunkt t₂₂ anschließt.
Dagegen ist die Haltedauer für das erfindungsgemäße Wärmebehandlungsverfahren wesentlich kürzer und endet mit dem Zeitpunkt t₁₁ (vgl. Kurve K1), an das sich ebenso das Abschrecken auf Raumtemperatur RT anschließt. Das Abschrecken kann auch auf eine Temperatur zwischen der Raumtemperatur RT und der ersten Stufe der nachfolgenden Auslagerung erfolgen. Das Kurzzeit-Lösungsglühen kann an Luft, mit Strahlung oder alternativ in flüssigen Medien erfolgen. Für die Abschreckung ist sowohl bewegte Luft aus Luftdüsen als auch flüssiges Medium und/oder ein Flüssigkeits-Luft-Gemisch geeignet. Mit dem Abschreckgradient kann die Festigkeit des Materials gesteuert werden.
Das bekannte Wärmebehandlungsverfahren gemäß Kurve K2 setzt sich zum Zeitpunkt t₂₂ mit der Auslagerung bei einer Temperatur T₂₁ fort und endet zum Zeitpunkt t₂₃ bzw. nach einer Abkühlung auf Raumtemperatur RT zum Zeitpunkt t₂₄.
Auch die Haltedauer der Auslagerung ist bei dem erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahren wesentlich kürzer und besteht als Kurzzeitauslagerung gemäß Kurve K1 aus zwei Stufen mit einer ersten Temperatur T₁₁, beginnend zum Zeitpunkt t₁₂ (nach einer kurzen Aufheizperiode) und einer sich daran zum Zeitpunkt t₁₃ anschließenden zweiten höheren Temperatur T₁₂. Diese zweite Phase der Auslagerung ist zum Zeitpunkt t₁₄ beendet, wobei nach einer Abkühlung das gesamte erfindungsgemäße Wärmebehandlungsverfahren zum Zeitpunkt t₁₅ endet.
Die Auslagerungszeit beträgt über beide Stufen maximal 90 min, ist jedoch vorzugsweise kleiner als 75 min. Gegenüber 1 kann die Auslagerung auch mehr als zwei Stufen umfassen, wobei die nachfolgende Stufen jeweils auf höheren Temperaturen durchgeführt werden und deren Werte in Abhängigkeit der gewünschten mechanischen Kennwerte gewählt werden. Die Haltedauern in den einzelnen Stufen der Auslagerung sind flexibel wählbar, insbesondere können auch gleiche Zeitdauern für die einzelnen Auslagerungsstufen eingestellt werden.
Für eine zweitstufige Auslagerung können die Parameter folgende Werte annehmen:
Erste Stufe:

Temperatur T₁₁: 120 bis 250°C, insbesondere 150 bis 190°C
Haltedauer (einschl. Aufheizzeit): 5 bis 75 min, insbesondere 15 bis 45 min.

Zweite Stufe:

Temperatur T₁₂: 180 bis 300°C, insbesondere 190 bis 240°C
Haltedauer (einschl. Aufheizzeit): 5 bis 75 min, insbesondere 15 bis 45 min.

Der Übergang zwischen den beiden Stufen erfolgt gemäß Kurve K1 direkt, kann jedoch auch mit einer Temperaturabsenkung durchgeführt werden. Die Auslagerung kann in warmer Luft, mit Strahlung oder in flüssigen Medien durchgeführt werden.
Die mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Aluminium-Gussteile weisen typischerweise folgende mechanischen Kennwerte auf:

Für die im Folgenden dargestellten Wärmebehandlungsverfahren werden im Druckgussverfahren hergestellte Aluminium-Gussteile verwendet, wobei die Legierung dem Typ AlSi10MnMg entspricht.
Zunächst wird ein zweistufiges erfindungsgemäßes Wärmebehandlungsverfahren WB1 mit folgenden Parametern beschrieben:

– Lösungsglühen: 490°C mit einer Haltedauer von 15 min
– Abschrecken: mit Luft
– Auslagerung: erste Stufe: 180°C mit einer Haltedauer von 30 min zweite Stufe: 230°C mit einer Haltedauer von 30 min
– Gesamtdauer: 75 min.

Als Vergleichsverfahren wird ein aus dem Stand der Technik bekanntes Wärmebehandlungsverfahren WB2 und ein Wärmebehandlungsverfahren WB3 durchgeführt, welches gegenüber dem Wärmebehandlungsverfahren WB2 eine verkürzte Haltedauer des Lösungsglühen und eine verkürzte einstufige Auslagerung aufweist.
Für diese Wärmebehandlungsverfahren WB2 und WB3 werden folgende Parameter verwendet:
WB2:

– Lösungsglühen: 480°C mit einer Haltedauer von 70 min
– Abschrecken: mit Luft
– Auslagerung: 200°C mit einer Haltedauer von 180 min,
– Gesamtdauer: 250 min.

WB3:

– Lösungsglühen: 480°C mit einer Haltedauer von 40 min
– Abschrecken: mit Luft
– Auslagerung: 200°C mit einer Haltedauer von 120 min,
– Gesamtdauer: 160 min

Mit diesen Wärmebehandlungsverfahren WB1, WB2 und WB3 werden folgende mechanischen Kennwerte erzielt:

0,2%-Dehngrenze R_p0,2 Zugfestigkeit R_m Bruchdehnung A₅ Thermische Stabilität

WB1 166 MPa 241 MPa 14,3% i. O.

WB2 167 MPa 237 MPa 15,2% i. O.

WB3 151 MPa 232 MPa 16,3% n. i. O.
Mit der Wärmebehandlung WB2 gemäß Stand der Technik wird ein thermisch stabiler Zustand erreicht, da das wärmebehandelte Material des Aluminium-Gussteiles das maximale Festigkeitsniveau erreicht. Die Überalterung, d. h. der Festigkeitsabfall setzt bei den Stabilitätsprüfungen nicht ein, da es sich hierbei aufgrund der niedrigen Auslagerungstemperatur um ein zeitlich betrachtet lang anhaltendes Plateau handelt.
Bei der Wärmebehandlung WB3 wurde gegenüber der Wärmebehandlung WB2 die Zeitdauer für das Lösungsglühen und für die Auslagerung verkürzt. Hier ist an der nicht erreichten thermischen Stabilität festzustellen, dass das Festigkeitsplateau noch nicht erreicht wurde. Durch diesen Zustand findet bei der Stabilitätsprüfung eine weitere Aushärtung statt, wodurch sich die mechanischen Eigenschaften verändern und dieses Verfahren bzw. die verwendeten Parameter daher nicht brauchbar ist bzw. sind.
Bei der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung WB1 mit dem Kurzzeit-Lösungsglühen und der Kurzeit-Auslagerung mit dem zweistufigen Auslagerungsprozess konnte hier das gleiche Festigkeitsniveau wie bei Wärmebehandlung WB2 bei gegebener thermischer Stabilität erreicht werden, wobei die gesamte Wärmebehandlungszeit gegenüber dem Wärmebehandlungsverfahren WB2 um ca. 3 h reduziert wurde.
Konventionelle Wärmebehandlungsverfahren WB2 und WB3 werden in Wärmebehandlungsanlagen durchgeführt, die von der Gießzelle zur Herstellung der Aluminium-Gussteile mittels einer Druckgussmaschine getrennt sind.
Aufgrund der kurzen Prozesszeiten des erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahrens ist es möglich eine Einzelstück-Wärmebehandlung durchzuführen, so dass sich die Möglichkeit eröffnet, die Wärmebehandlungsanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahrens, wie bspw. des Wärmebehandlungsverfahrens WB1 in eine Gießzelle zu integrieren, die eine Druckgießmaschine, einen Roboter sowie eine Stanzeinheit umfasst.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Gießzelle 10 mit einer Wärmebehandlungsanlage 2, einer Druckgießmaschine 3, einer Stanzeinheit 4 und einem Roboter 5 zur Handhabung der Aluminium-Gussteile 1. Der Roboter 5 entnimmt die gegossenen Aluminium-Gussteile 1 aus der Gussform der Druckgießmaschine 3 und führt diese der Station Stanzeinheit 4 und Wärmebehandlungseinheit 2 zu.
Diese Gießzelle 10 kann in unterschiedlichen Ausführungsformen ausgebildet werden, die sich in der Reihenfolge der Prozessschritte Lösungsglühen mit Abschrecken, Auslagern und Stanzen unterscheiden.
Gemäß einer ersten Variante wird nach dem Gießen in der Druckgießmaschine 3 das von dem Roboter 5 entnommene Aluminium-Gussteil 1 der Stanzeinheit 4 zugeführt und danach der Wärmebehandlungsvorrichtung 2 für das Lösungsglühen und das Auslagern.
Eine zweite Variante zeichnet sich dadurch aus, dass das Stanzen zwischen dem Lösungsglühen mit dem Abschrecken und dem Auslagern durchgeführt wird. Diese Variante zeichnet sich durch eine hohe Maßgenauigkeit der erzeugten Aluminium-Gussteile 1 aus, da die bei dem Lösungsglühen entstandenen Verzüge, durch ein Kalibrieren im Stanzwerkzeug der Stanzeinheit 4, im weichgeglühten Materialzustand kompensiert werden können. Zusätzlich werden aufgrund des während dem Lösungsglühen vorhandenen Angusssystems die Verzüge der Aluminium-Gussteile 1 minimiert.
Schließlich zeichnet sich eine dritte Variante dadurch aus, dass der Stanzvorgang in der Stanzeinheit 4 erst nach der Wärmbehandlung, also nach dem Gießen, dem Lösungsglühen mit Abschrecken und dem Auslagern durchgeführt wird. Auch bei dieser Variante werden durch das vorhandene Angusssystem beim Lösungsglühen die Verzüge der Aluminium-Gussteile 1 minimiert.
Bei diesen Varianten drei und vier wird der Stanzvorgang erst nach dem Lösungsglühen durchgeführt, so dass das das mit dem Lösungsglühen beginnende Wärmebehandlungsverfahren mit der Temperatur des direkt aus dem Gießprozess kommenden Gussteils begonnen wird. Diese Temperatur liegt zwischen 200 und 300°C, wie dies mit Kurve K3 in 1 angedeutet ist.
Wird der Auslagerungsprozess mit einer längeren Haltedauer durchgeführt, kann dieser Prozess auch außerhalb der Gießzelle 10 durchgeführt werden.
Aufgrund der Einstück-Wärmebehandlung mit der kurzen Gesamtprozessdauer des erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahrens kann die Wärmebehandlungsvorrichtung 2 klein und kompakt gebaut werden und bietet daher hervorragende Voraussetzungen zur Integration in die Gießzelle 10.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10106640 A1 [0004]
EP 1442150 B1 [0014]
DE 102008055928 A1 [0015, 0015, 0016]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm EN515 [0003]

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung von Aluminium-Gussteilen (1), umfassend folgende Verfahrensschritte: a) Lösungsglühen der Aluminium-Gussteile (1) mit einer Temperatur zwischen 460°C und 510°C für 1 min bis 20 min, b) Abschrecken der Aluminium-Gussteile (1) auf eine Abschrecktemperatur, und c) Auslagerung der Aluminium-Gussteile (1) in einer ersten und wenigstens einer darauffolgenden zweiten Stufe mit unterschiedlichen Temperaturwerten für höchstens 90 mm, vorzugsweise für höchstens 75 min.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschrecktemperatur der Raumtemperatur oder einer Temperatur zwischen der Raumtemperatur und der Temperatur der ersten Stufe der Auslagerung entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslagerungstemperatur der ersten Stufe der Auslagerung gemäß Verfahrensschritt c) niedriger ist als die Temperatur der darauffolgenden Auslagerungsstufe.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die erste Stufe der Auslagerung gemäß Verfahrensschritt c) ein Temperaturbereich von 120°C bis 250°C, vorzugsweise von 150°C bis 190°C vorgesehen ist.
Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die zweite Stufe der Auslagerung gemäß Verfahrensschritt c) ein Temperaturbereich von 180°C bis 300°C, vorzugsweise von 190°C bis 240°C vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die erste und zweite Stufe der Auslagerung gemäß Verfahrensschritt c) jeweils eine Haltezeit von 5 min bis 75 min, vorzugsweise von jeweils 15 min bis 45 min vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Stufen der Auslagerung gemäß Verfahrensschritt c) jeweils gleiche Zeitdauern vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Lösungsglühen ein Temperaturbereich von 480°C bis 500°C vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Lösungsglühen eine hohe Aufheizrate mit einer Aufheizdauer von höchstens 10 min vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Gussteilen (1), insbesondere Aluminium-Druckgussteile umfassend folgende Verfahrensschritte: – Gießen des Aluminium-Gussteiles (1) mittels einer Druckgießmaschine (3), und – Durchführung der Verfahrensschritte a) bis c) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Gießvorgang ein Stanzvorgang mittels einer Stanzeinheit (4) durchgeführt wird und anschließend die Verfahrensschritte a) bis c).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abschrecken gemäß Verfahrensschritt b, ein Stanzvorgang mittels einer Stanzeinheit (4) durchgeführt wird und anschließend Verfahrensschritt c).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach Durchführung der Verfahrensschritte a) bis c) ein Stanzvorgang mittels einer Stanzeinheit (4) durchgeführt wird.
Gießzelle (10) mit einer Druckgießmaschine (3), einer Stanzeinheit (4) und einer Handhabungsvorrichtung (5) zum Transport der Aluminium-Gussteile (1), welche zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 12 eine Wärmebehandlungsvorrichtung (2) zur Durchführung der Verfahrensschritte a) bis b) umfasst.
Gießzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlungseinrichtung (2) auch den Verfahrensschritt c) umfasst.
Gießzelle nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlungsvorrichtung (2) zur Durchführung einer Einstück-Wärmebehandlung ausgebildet ist.