-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Bohrung in einem Bauteil aus einer porösen Legierung, sowie das Bauteil mit der Bohrung selbst.
-
Im Zuge des zunehmenden Einsatzes von Leichtbaukomponenten im Kraftfahrzeugbau zur Verringerung des Energieverbrauchs und der damit verbundenen Reduktion des Kohlendioxidausstoßes werden verstärkt Leichtmetalle wie Aluminium und Magnesium, beziehungsweise deren Legierungen zur Bildung von Fahrzeugkomponenten im Bereich Fahrwerk, Antriebsstrang und Karosserie eingesetzt.
-
Dabei wirkt sich der Herstellungsprozess, etwa Druckgießen, auf die Schwingfestigkeit bzw. Dauerfestigkeit der gefertigten Bauteile aus. Beim Druckguss von Aluminiumbauteilen etwa ist eine Porenbildung praktisch nicht zu vermeiden, die die Schwingfestigkeit des Bauteils beeinflusst.
-
David Powazka et. al untersuchten „Fertigungsbedingte Einflüsse auf die Schwingfestigkeit von Al-Gussbauteilen”, Giesserei 97, 07/2010, S. 34–42, wobei festgestellt wurde, dass die Schwingfestigkeit der Aluminiumgussbauteile wesentlich vom Gefügeaufbau, den Sekundär-Dendritenarmabständen und den Poren bestimmt wird, deren Entstehen wiederum von den technologischen Randbedingungen des Gießverfahrens abhängen.
-
Beim Druckgießen wird die Metallschmelze unter hohem Druck in die Gussform gedrückt. Ein erster Schritt dabei ist das Formfüllen, das mit einer Strömungsgeschwindigkeit bis über 100 m/s durchgeführt wird, wobei der anfangs konstante Druck am Ende des Formfüllens ansteigt, so dass der Enddruck ungefähr doppelt so hoch ist, wodurch eine optimale Nachverdichtung als zweiter Prozessschritt erreicht wird. Druckgießen stellt Bauteile von hoher Qualität mit geringer Porosität in dünnwandigen Bereichen und mit guter Oberfläche bereit. Allerdings ist die Qualität der Gussteile eine Funktion der hydrodynamischen Einflüsse und der Temperaturverläufe während des Formfüllens und der Nachverdichtung. So weisen die Bauteile einen relativ inhomogenen Gefügeaufbau auf mit einem aufgrund der hohen Abkühlrate sehr feinen Gefüge an der Oberfläche und einem relativ groben Gefüge in der Bauteilmitte.
-
Die sich negativ auf die Schwingfestigkeit auswirkende Porosität kann jedoch in der Gießpraxis nicht gänzlich vermieden werden. Bei Druckgusserzeugnissen tritt in erster Linie Gasporosität auf, die aufgrund der meist stark turbulenten Strömungsverhältnisse nicht gänzlich verhindert werden kann.
-
Mögliche Entstehungsmechanismen der Gasporosität beschreibt Stephan Hasse in „Guß- und Gefügefehler: Erkennung, Deutung und Vermeidung von Guß- und Gefügefehlern bei der Erzeugung von gegossenen Komponenten”, 2. aktualisierte und erweiterte Auflage, Berlin, Schiele und Schön, 2003, S. 102–105. Als Maßnahmen zur Reduktion der Gasporosiät nennt er zum einen den Einsatz gasfreien Materials, sowie die Entgasung der Schmelze, und die Erhöhung von Gießtemperatur und -geschwindigkeit. Für Druckguss empfiehlt er neben der Kontrolle und Reinigung der Gussformen eine Erhöhung des Gießdrucks und die Veränderung des zeitlichen Ablaufes der hydraulischen Phasenfolge während der Formfüllung.
-
Dennoch kann die Porenbildung in der Praxis nicht verhindert, sondern lediglich reduziert werden.
-
Im Falle eines Kurbelgehäuses bestehen hohe Anforderungen an das E-Modul und die Dauerfestigkeit des Lagerstuhls, in den die Kräfte, die sich aus den Zünddrücken ergeben, über Kolben, Pleuel und Kurbelwelle eingeleitet werden, wobei hohe Spannungen am Übergang des Lagerstuhls in die Schottwand entstehen.
-
So ist die Dauerfestigkeit der Lagerstuhlverschraubung im Kurbelgehäuse bei Al-Druckguss maßgeblich von der Porengröße und der Porenverteilung abhängig. Besonders im dickwandigen Lagerstuhl werden Gasporen gebildet und eingeschlossen. Die Wahrscheinlichkeit, dass beim Bohren und anschließenden Gewinden eine oder mehrere Poren direkt oder nahe am Gewindegang liegen, ist hoch. Eine eingebrachte Schraube erzeugt bei der motorischen Belastung bei solchen Poren hohe Spannungsüberhöhungen und reduziert die Dauerfestigkeit von Bauteil und Schraubverbindung.
-
Aus der
DE 698 24 285 T2 ist ein Verfahren bekannt, das zum Herstellen eines Bauteils aus einer porösen Legierung geeignet ist, mit zumindest einer Bohrung und/oder einem Gewinde. Das dort offenbarte Verfahren umfasst das Bereitstellen des Bauteils, das Einführen eines rotierenden Bolzens in das Bauteil, was zu einer Erwärmung des angrenzenden Bauteilmaterials auf eine Temperatur innerhalb des Schmelzintervalls der Legierung führt. Anschließend wird der Bolzens aus dem Bauteil herausgeführt und ein Gewindes in den erstarrten Bereich eingebracht.
-
Weiterhin zeigt die
JP 2000 024 813 A ein Bauteil aus einer porösen Legierung mit zumindest einer Bohrung. Das Bauteil weist in einem Bereich um die Bohrung eine reduzierte Porosität auf.
-
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bohrung in einem Bauteil aus einer porösen Legierung zu schaffen, ohne die Schwing- bzw. Dauerfestigkeit des Bauteils nachteilig zu beeinflussen.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Ferner wird ein Bauteil mit verbesserter Schwing- bzw. Dauerfestigkeit mit den Merkmalen des Anspruchs 9 offenbart.
-
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
-
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einer porösen Legierung mit zumindest einer Bohrung umfasst zunächst das Gießen des Bauteils aus Aluminium- oder Magnesium-Legierung, wobei Poren mit Größen oberhalb von 80 bis 100 μm gebildet werden. In dieses Bauteil soll eine Bohrung eingebracht werden, etwa um eine spätere Verschraubung des Bauteils zu ermöglichen. Um nun zu verhindern, dass durch das Herstellen der Bohrung die Dauer- beziehungsweise Schwingfestigkeit des Bauteils an der Bohrungsstelle verringert wird, indem durch die Bohrung eine oder mehrere Poren freigelegt werden, die dann bei Einbringung eines Verbindungsbolzens oder einer Schraube Spannungsüberhöhungen zur Folge haben können, wird optional zunächst eine Vorbohrung in das Bauteil an der für die Bohrung vorgesehene Stelle vorgenommen. Die Vorbohrung hat dabei einen geringeren Durchmesser als die vorgesehene Bohrung.
-
Als nächstes wird ein rotierender Bolzen in die Vorbohrung eingeführt, so dass sich in Folge der Reibung zwischen dem rotierenden Bolzen und dem an die Vorbohrung angrenzenden Bauteilmaterial dieses auf eine Temperatur innerhalb des Schmelzintervalls der Legierung, das heißt auf eine zwischen der Liquidus- und Solidustemperatur der Legierung liegenden Temperatur erwärmt. Durch diese Plastifizierung des Bauteilmaterials, das an die Vorbohrung angrenzt, wird ein breiiger Bereich des Materials um die Vorbohrung erzeugt. Dieser breiige Bereich weist einen flüssigen Anteil von etwa 20 bis 40% und einen festen Anteil von etwa 60 bis 80% auf.
-
Wird der Bolzen dann aus der Vorbohrung herausgeführt, kann der breiige Bereich erstarren gelassen werden, wobei sich ein Bereich reduzierter Porosität ausbildet. Insbesondere zeichnet sich der Bereich reduzierter Porosität dadurch aus, dass er arm an Poren mit einem Porendurchmesser von über 100 μm ist. Unter „arm an Poren” wird vorliegend verstanden, dass Poren mit einem Durchmesser oberhalb von 100 μm (die für die Reduktion der Dauerfestigkeit wesentlich verantwortlich sind) in diesem Bereich des Bauteils einen Volumenanteil (bezogen auf das Volumen des Bauteilmaterials) von weniger als 5 Volumenprozent aufweisen, vorzugsweise von weniger als 3 Volumenprozent aufweisen.
-
Der nach Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens erstarrte Bereich weist somit eine verringerte Porosität zumindest in Hinblick auf die Porengröße auf. Dort wird nun die Bohrung in das Bauteil eingebracht, so dass vorteilhaft in der Bauteilumgebung der Bohrung kaum bzw. vorzugsweise keine Poren mit einem Durchmesser größer als 80 bis 100 um vorliegen.
-
Soll die einzubringende Bohrung nur einen vergleichsweise kleinen Durchmesser und eine geringe Tiefe haben, so kann ggf. auch auf das Einbringen einer Vorbohrung verzichtet werden. Für welche Durchmesser und Tiefen dies möglich und sinnvoll ist, hängt von der Art des Bauteilmaterials ab. Dies kann jedoch von einem Fachmann leicht experimentell ermittelt werden.
-
Zur Durchführung des Verfahrens kann der Bolzen, der rotierend in die Vorbohrung eingeführt wird, einen Durchmesser aufweisen, der etwas größer ist als der Durchmesser der Vorbohrung, so dass zwischen dem rotierenden Bolzen und der Vorbohrung beim Einführen des Bolzens in die Vorbohrung ausreichend Reibung besteht, um das umgebende Material entsprechend bis zur Plastifizierung zu erwärmen.
-
Bei dem Bolzen handelt es sich dabei vorzugsweise um einen verschleißfesten Stahlbolzen. Zur weiteren Standzeiterhöhung eignet sich in vorteilhafter Weise eine zusätzliche Beschichtung, vorzugsweise auf Basis keramischer Werkstoffe.
-
Der durch diesen dem Reibrührschweißen analogen Vorgang des Einführens des rotierenden Bolzens in die Vorbohrung erzeugte breiige Bereich weist einen flüssigen Anteil von etwa 20 bis 40% und einen festen, kristallinen Anteil von etwa 60 bis 80% auf. Die Prozentangabe bezieht sich auf das Gesamtgewicht des breiigen Bereichs. Geeigneter Weise kann der breiige Bereich etwa zu 30% flüssig und etwa zu 70% fest, bzw. kristallin sein, um nach dem Herausführen des Bolzens nahezu porenfrei zu erstarren.
-
In einer Ausführungsform der Erfindung kann schon durch das Einführen des Bolzens, dessen Abmessungen einem Endmaß für die Bohrung entsprechen, das Einbringen der Bohrung erfolgen. Die durch das Einführen des Bolzens in die Vorbohrung geschaffene Bohrlocherweiterung reicht dabei aus, den gewünschten Bohrungsdurchmesser zu erhalten. Ein erneutes Bohren in dem erstarrten Bereich, um die Bohrung mit dem gewünschten Endmaß zu erhalten, erübrigt sich dann.
-
Erfindungsgemäß kann das Verfahren sich ferner darauf beziehen, dass die Bohrung eine Gewindebohrung ist, so dass das im letzten Schritt erfolgte Erzeugen der Bohrung das Erzeugen eines Gewindes in der Bohrung umfassen kann. Dies kann zerspanend oder umformend, beispielsweise mittels Gewindeschneiden, Gewindefräsen oder Gewindebohren oder Gewindeformen erfolgen. Der Durchmesser der Bohrung zum Erzeugen des Gewindes entspricht den dafür erforderlichen Abmessungen und kann, wie zuvor bereits erwähnt, bereits durch die Wahl eines geeigneten Bolzens oder durch einen zusätzlichen Bohrschritt erreicht werden.
-
Insbesondere eignet sich das Verfahren für Bauteile, die mittels Druckguss hergestellt wurden, wobei bekanntermaßen Poren gebildet werden. Bei der dazu verwendeten Legierung kann es sich insbesondere um eine Aluminiumlegierung handeln, jedoch sind andere Legierungen, beispielsweise Magnesiumlegierungen, nicht ausgeschlossen. Auch kann das Verfahren bei Bauteilen, die anders als durch Druckgießen erhalten wurden, zur Reduktion der Porenanzahl respektive Porengröße in einem eine Bohrung umgebenden Bereich verwendet werden.
-
Wird allerdings zum Herstellen des Bauteils ein Druckgießverfahren verwendet, so kann zur Gesamtreduktion der Poren bereits im gesamten Bauteil das Druckgießen Vakuumunterstützt erfolgen, alternativ oder zusätzlich kann zur Erzielung einer höheren Duktilität eine Aluminium-Primärlegierung verwendet werden.
-
Schließlich kann die Streckgrenze und die Bruchdehnung durch Lösungsglühen, Abschrecken und Tempern des Bauteils, insbesondere durch ein Lösungsglühen bei einer Temperatur oberhalb 460°C und Tempern bei ungefähr 200°C eingestellt werden.
-
Das Verfahren ist allerdings auch für Bauteile geeignet, die mittels Sand- oder Kokillenguß hergestellt wurden. Bei derartigen Bauteilen treten insbesondere bei hohen Wandstärken wie beim Diesel-Lagerstuhl oft höhere Korngrößen auf als gewünscht. Wenn nun mit dem erfindungsgemäßen Verfahren im kalten Bauteil eine nur kleine Zone von 2–3 mm um die gewünschte Bohrung herum aufgeschmolzen wird, dann kann dieser Bereich schnell erstarren, wobei kleinere Korngrößen entstehen, die für die Dauerhaltbarkeit vorteilhaft sind. Das kalte umgebende Material (insbesondere Aluminium mit hoher Wärmeleitfähigkeit) wird die Wärme aus dem dünnen Schmelzenring schnell abziehen. In diesem Fall ist es vorteilhaft das erfindungsgemäße Verfahren schnell durchzuführen, damit das umgebende Material nicht unnötig erwärmt wird. Des Weiteren ist es vorteilhaft, den festen Anteil in der breiigen Schmelzzone zu verringern aber noch ausreichend feste gut verteilte Kristalle zu haben, die als Kristallisationsausgangspunkte zur schnellen Erstarrung dienen.
-
Ein erfindungsgemäßes Bauteil aus einer porösen Legierung mit zumindest einer Bohrung weist in dem Bereich um die Bohrung eine reduzierte Porosität auf und ist arm an Poren mit einem Porendurchmesser von über 100 μm. Dies kann insbesondere durch ein erfindungsgemäßes Verfahren erreicht werden. Bei dem Bauteil kann es sich um ein sand- kokillen- oder druckgegossenes Bauteil insbesondere aus einer Aluminiumlegierung handeln, beispielsweise um ein Kurbelgehäuse eines Kraftfahrzeugs. Ein solches Kurbelgehäuse sieht im Lagerstuhl eine Gewindebohrung für eine Schraubverbindung vor. Erfindungsgemäß ist dieser Bereich um die Gewindebohrung im Lagerstuhl dann mit der reduzierten Porosität ausgestattet. Dadurch, dass somit keine größeren Poren mehr direkt oder nahe dem Gewindegang liegen können, wird durch eine eingebrachte Schraube keine unzulässige Spannungsüberhöhung mehr erzeugt, diese Schraubverbindung im Lagerstuhl des Aluminiumdruckgusskurbelgehäuses ist deutlich verbessert. Dadurch kann dann auch der Spitzendruck und/oder die Leistung von Motoren mit Aluminiumdruckgusskurbelgehäusen erhöht werden. Somit besteht das Potenzial, Kurbelgehäuse aus Aluminiumdruckguss nicht nur für Ottomotoren, sondern auch für Dieselmotoren einsetzen zu können.
-
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
-
Dabei zeigen:
-
1 eine Fließschema des erfindungsgemäßen Verfahrens,
-
2 eine schematische Seitenschnittansicht durch den Bauteilbereich mit der einzubringenden Bohrung.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dessen Schritte in 1 skizziert sind, lässt sich die Dauerfestigkeit von Schraubverbindungen im Lagerstuhl verbessern, beziehungsweise generell in einem Bauteil aus einer porösen Legierung ein nahezu porenfreier Bereich für eine Bohrung erzeugen.
-
Problematisch ist bei bisher bekannten Fertigungstechniken, dass Poren mit Größen oberhalb von 80 bis 100 μm die Dauerfestigkeit signifikant reduzieren. Aluminiumdruckguss enthält dabei Poren bis zu einem Durchmesser von 1.000 μm sowie eingeschlossene, teilweise gelöste Gase, so dass kein Lösungsglühen und damit auch keine Mischkristallhärtung möglich ist. Im Gegenteil hierzu führt das Temperieren von poröser Aluminiumdruckgusslegierung auf eine Temperatur über 400°C zu Blisterbildung beziehungsweise Blasenbildung (Freiwerden der eingeschlossenen, teilweise gelösten Gase).
-
Derzeit ist mit Sandguss eine Dauerfestigkeit von 70 n/mm2 üblich, während im Druckguss beispielsweise mit der Standardlegierung Al226 hingegen nur etwa 35, bei optimaler Prozessführung (insbesondere Vakuumunterstützung) 43 n/mm2 möglich sind.
-
Um dennoch den kostengünstigen Aluminiumdruckguss zur Darstellung von Bauteilen zu verwenden, die dann mit einer verbesserten Dauerfestigkeit ausgestattet sind, insbesondere im Bereich von Bohrungen, die zur Verbindung des Bauteils mittels Schrauben etc. vorgesehen sind, wird das erfindungsgemäße Verfahren vorgeschlagen.
-
So wird zunächst das Bauteil aus der porösen Legierung bereitgestellt. In 2, die einen Bauteilabschnitt mit der Breite m zeigt, ist das poröse Legierungsmaterial des Bauteils 1 mit 5 indiziert.
-
Erfindungsgemäß wird nun zunächst die Vorbohrung 2 in das Bauteil 1 eingebracht, die einen geringeren Durchmesser aufweist als die vorgesehene Schraubgewindebohrung 3. Nachdem die Vorbohrung 2 ausgefertigt ist, wird dort ein Stahlbolzen 6, der etwas dicker als die Vorbohrung 2 ist, drehend ein- und ausgeführt. Dieser Vorgang erfolgt in etwa analog einem Rührreibschweißen, wobei die Reibenergie durch ein verschleißfestes, rotierendes Werkzeug erzeugt wird. So wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der rotierende Bolzen 6, der einen kegelstumpfförmigen Kopf aufweisen kann, längsaxial in Bezug auf die Vorbohrung 2 mit hoher Kraft in die Öffnung der Vorbohrung 2 gedrückt, wo der rotierende Bolzen 6 so lange verbleibt, bis sich das an die Vorbohrung 2 angrenzende Material des Bauteils 1 durch die Reibung zwischen dem Bolzen 6 und dem umgebenden Material auf eine Temperatur im Schmelzintervall der entsprechenden Legierung des Bauteils 1 erwärmt. Durch den Temperaturanstieg in dem an die Vorbohrung 2 angrenzenden Material wird die Legierung plastifiziert und es bildet sich ein breiiger Bereich 4 um die Vorbohrung 2, in dem das Legierungsmaterial zu etwa 30% flüssig und etwa 70% fest beziehungsweise kristallin vorliegt. Die Erwärmung und die Bildung des breiigen Bereichs 4 sind in 1 in einem gestrichelten Kasten als Folge des Einführens des rotierenden Bolzen in die Vorbohrung dargestellt.
-
Nachdem zunächst lediglich das Material um die Öffnung der Vorbohrung 2 erwärmt und plastifiziert wird, kann der Bolzen 6 sukzessive entlang a in die Vorbohrung 2 eingebracht werden, so dass durch ihn nach und nach das gesamte, die Vorbohrung 2 umgebende Material, erwärmt und plastifiziert wird.
-
Der so erzeugte breiige Bereich 4 um die Vorbohrung 2 kann danach nahezu porenfrei beziehungsweise ohne Poren größer als 100 μm erstarren, so dass die Schraubgewindebohrung 3 in diesen nahezu porenfreien Bereich des Bauteils 1 eingebracht werden kann.
-
Dabei kann der Bolzen 6 so dimensioniert sein, dass der durch sein Einführen geschaffene Bohrungsdurchmesser geeignet ist, um einen nachfolgenden Schritt zum Erzeugen des Gewindes 3 ohne weiteres Aufbohren durchzuführen.
