DE102011119002A1

DE102011119002A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Leichtmetall-Gussteilen

Info

Publication number: DE102011119002A1
Application number: DE102011119002A
Authority: DE
Inventors: Marc Hummel; Jan Gaugler; Markus Belte; Dan Dragulin
Original assignee: BELTE AG; Audi AG
Current assignee: BELTE AG; Audi AG
Priority date: 2011-11-21
Filing date: 2011-11-21
Publication date: 2013-05-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Leichtmetall-Gussteilen (10), insbesondere Aluminium oder Magnesium-Druckgussteile, umfassend folgende Verfahrensschritte: – Gießen des Leichtmetall-Gussteiles (10) mittels einer eine Druckgießmaschine (2) umfassenden Gießzelle (1), und – Durchführung einer Wärmebehandlung mittels eines Wirbelbettofens (3). Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Leichtmetall-Gussteilen, insbesondere Aluminium oder Magnesium-Druckgussteile sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Im Fahrzeugbau hat die Notwendigkeit zur Gewichtsreduzierung den Einsatz von Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium und Magnesium gefördert. Der Einsatz von Aluminium- oder Magnesium-Gussteile für Karosserie- und Fahrwerksteile führen zu einer hohen Gewichtseinsparung.
Die meisten Aluminium- oder Magnesium-Gusslegierungen können nach dem Abguss durch eine Wärmbehandlung gezielt in ihrem Eigenschaftsprofil verändert werden, wobei typischerweise dieser Wärmebehandlungsprozess in einer von der Gießanlage separat stehenden Wärmebehandlungsofen durchgeführt wird. Dieser Wärmebehandlungsprozess besteht in der Regel aus den Wärmebehandlungsstufen Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern.
So ist aus der EP 2 311 996 A2 ein Verfahren zur Wärmebehandlung durch Lösungsglühen, Abkühlen und Auslagern von Leichtmetall-Druckgussteilen mittels Infrarotstrahlen beschrieben, bei welchem die Leichtmetall-Gussbauteile direkt nach der Entnahme aus der Form oder direkt in der Form vor der Entnahme mittels Infrarotstrahlen für ein bis fünf Minuten lösungsgeglüht, danach für zwei bis fünf Minuten abgeschreckt und warm ausgelagert werden.
Hinsichtlich der Herstellung von dünnwandigen und großflächigen Leichtmetall-Gussbauteilen, wie Karosserieknoten, Türen und Klappen kann die Verwendung von Infrarotstrahlern aufgrund der punktförmigen Erwärmung der großen Flächen des Leichtmetall-Gussbauteils zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung führen, so dass das gewünschte Ergebnis der Wärmebehandlung nicht immer zufriedenstellend ist.
Ferner ist aus der EP 1 900 457 A1 ein Verfahren zur Herstellung von Gussformteilen aus Leichtmetall im Druckgussverfahren bekannt, bei dem unmittelbar nach dem Öffnen der Druckgussform gezielt an spannungsempfindlichen Bereichen mit einem Kühlmittel gekühlt wird, so dass bei Bauteilen mit Bereichen unterschiedlicher Wandstärke eine ungleichmäßige Verteilung des Wärmeinhaltes verhindert wird und daher auch keine Verformungen aufgrund unterschiedlicher Abkühlungsgeschwindigkeiten auftreten sollen.
Nachteilig ist bei diesem Verfahren, dass zwischen dem Kühlmittel und der heißen Oberfläche des Leichtmetall-Gussbauteils chemische Reaktionen auftreten, die u. U. nicht beherrschbar bzw. vermeidbar sind. Auch ist der konstruktive Aufwand nicht unerheblich, genau die gewünschten Bereiche mit dem Kühlmittel zu treffen.
Desweiteren ist die Durchführung einer Wärmebehandlung metallischer Gegenstände mit dem Wirbelbettverfahren bekannt. So beschreibt bspw. die DE 36 22 668 C1 einen Wirbelbettofen für die Wärmebehandlung metallischer Gegenstände oder die DE 601 19 579 T2 , welche einen Mehrschicht-Wärmebehandlungsofen zur Wärmebehandlung eines Metallwerkstücks beansprucht, die ein Wirbelbett mit Teilchen, die in einem Behälter durch in den Behälter eingeblasenen Heißwind verwirbelt werden und eine Atmosphärenschicht oberhalb des Wirbelbetts mit einem Gas als Heizmedium aufweist und zur Wärmebehandlung des Metallwerkstücks teilweise in das Wirbelbett eintaucht und der andere Teil der Atmosphäre ausgesetzt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Leichtmetall-Gussteilen, insbesondere Aluminium oder Magnesium-Druckgussteile, anzugeben, mit welchem eine deutliche Verbesserung der Homogenität der Temperaturverteilung während der Herstellung des Leichtmetall-Gussbauteils erzielt wird. Ferner ist es Aufgabe eine Vorrichtung zur Durchführung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Ein solches Verfahren zur Herstellung von Leichtmetall-Gussteilen, insbesondere Aluminium oder Magnesium-Druckgussteile umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

– Gießen des Leichtmetall-Gussteiles mittels einer eine Druckgießmaschine umfassenden Gießzelle, und
– Durchführung einer Wärmebehandlung mittels eines Wirbelbettofens.

Durch die Verwendung des Wirbelbettverfahrens zur Wärmebehandlung der gegossenen Leichtmetall-Gussbauteile wird eine sehr kurze Wärmebehandlungsdauer bspw. gegenüber konventionellen Konvektionsöfen. Als Wärmetransfermittel für dieses Wirbelbettverfahren kann Granulat, vorzugsweise Aluminium-Oxid oder auch Quarzsand verwendet werden.
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren dünnwandige Leichtmetall-Gussbauteile, insbesondere Aluminium- oder Magnesium-Druckgussbauteile wärmebehandelt werden, da sich weniger Verformungen einstellen und dadurch eine große Maßgenauigkeit der Leichtmetall-Gussbauteile erzielt werden kann, die ihrerseits weniger Nachbearbeitung nach sich zieht.
Ferner zeichnet sich dieses Verfahren durch eine deutliche Verbesserung der Homogenität der Temperaturverteilung während des Wärmebehandlungsprozesses aus.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Wirbelbettofen in die Gießzelle integriert. Hierdurch wird aufgrund der reduzierten Prozesszeit für das Wirbelbettverfahren ein wesentlich höherer Integrationsgrad erzielt, so dass dies zu einer Verringerung des für den Wirbelbettofen erforderlichen Volumens führt. Außerdem wird die zur Herstellung eines solchen Leichtmetall-Gussbauteils erforderliche Prozesszeit verkürzt, da ein Transport des Leichtmetall-Gussbauteils nur noch innerhalb der Gießzelle erforderlich ist.
Weiterhin ist es weiterbildungsgemäß vorteilhaft, nach dem Gießvorgang einen Stanzvorgang und/oder einen Entgratungsschnitt mittels einer Stanzeinheit durchzuführen.
In vorteilhafter Weise werden mittels des Wirbelbettverfahrens zur Wärmebehandlung des Leichtmetall-Gussbauteils sowohl das Lösungsglühen, das Abschrecken als auch die Auslagerung des Leichtmetall-Gussbauteils durchgeführt.
Weiterhin ist es gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, im Anschluss an den Gießvorgang ein Abschrecken des Leichtmetall-Gussbauteils durchzuführen.
Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
Hiernach umfasst diese Vorrichtung zur Herstellung eines Leichtmetall-Gussbauteiles, insbesondere eines Aluminium- oder Magnesium-Druckgussteiles, eine Gießzelle mit einer Druckgussmaschine zum Druckgießen des Leichtmetall-Gussbauteils sowie erfindungsgemäß einen Wirbelbettofen zur Durchführung der Wärmebehandlung des gegossenen Leichtmetall-Gussbauteils.
Durch die Integration des Wirbelbettofens in die Gießzelle wird der Integrationsgrad des gesamten Herstellungsprozesses der Leichtmetall-Gussbauteile weiter erhöht, führt zu kürzen Prozesszeiten und damit letztendlich auch zu geringeren Herstellkosten.
Vorzugsweise ist es gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, eine Stanzeinheit in die Gießzelle zu integrieren, mit welcher nach dem Gießen des Leichtmetall-Gussbauteils ein Stanz- und/oder Entgratungsschnitt durchgeführt werden kann.
Darüber hinaus bietet es sich an, gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung auch ein Abschreckbecken in die Gießzelle zu integrieren, mit welchem im Anschluss an den Gießvorgang ein Abschrecken des Leichtmetall-Gussbauteils durchgeführt werden kann.
Schließlich ist es gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, die Gießzelle mit eine Handhabungsvorrichtung zum Transport des Leichtmetall-Gussbauteils auszustatten, so dass mit einer solchen Handhabungsvorrichtung, bspw. eines Roboters die Leichtmetall-Gussbauteile von einer Station zur anderen transportiert werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine einzige beigefügte Figur ausführlich beschrieben. Diese 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Gießzelle zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die in dieser 1 dargestellte Gießzelle 1 umfasst mehrere Stationen, eine Druckgießmaschine 2, einen Wirbelbettofen 3, ein Abschreckbecken 4 und eine Stanzeinheit 4. Mit dieser Gießzelle 1 wird ein dünnwandiges Leichtmetall-Gussbauteil 10 hergestellt. Hierzu wird mittels eines Roboters 6 als Handhabungsvorrichtung dieses Leichtmetall-Gussbauteil 10, bspw. aus Aluminium oder Magnesium, entsprechend den Prozessschritten von einer zur nächsten Stationen transportiert.
Zur Herstellung des Leichtmetall-Gussbauteils 10 wird das Rohgussteil (Abguss) zunächst mittels der Druckgießmaschine 2 gegossen, anschließend von dem Roboter 6 entnommen, zum Abschrecken in das Abschreckbecken 4 getaucht und bevor dieses Rohgussteil dem Wirbelbettofen 3 zugeführt wird, einem Stanz- und/oder Entgratungsvorgang mittels der Stanzeinheit 5 unterzogen.
In dem Wirbelbettofen 3 wird dieses Leichtmetall-Gussbauteil 10 einer Wärmebehandlung, die aus drei Stufen besteht, ausgesetzt. Aufeinanderfolgend bestehen diese Stufen aus einem Lösungsglühen, einem Abschrecken und einer Auslagerung.
Der Wirbelbettofen 3 besteht aus einem Behälter, der mit Quarzsand, Aluminiumoxid oder einem anderen geeigneten Granulat gefüllt ist. In dieses Wärmetransfermittel wird kontinuierlich ein Gas-Luftgemisch eingeblasen, so dass dadurch die Teilchen des Quarzsandes oder des Aluminiumoxids in einen Schwebezustand geraten. Das in das Wärmetransfermittel als Wirbelbett eingebrachte Leichtmetall-Gussbauteil 10 versinkt darin wie in einer Flüssigkeit. Gleichzeitig wird das Wärmetransfermittel aufgeheizt, indem das eingeblasene Gas-Luftgemisch an der Bettoberfläche entzündet wird. Mit der Menge des eingeblasenen Gas-Luftgemisches und sowie dem Volumenanteil an Gas lässt sich die Arbeitstemperatur in dem Wirbelbett mit einer sehr genauen Temperaturverteilung für die einzelnen Wärmebehandlungsstufen einstellen. Die Wärmebehandlungsdauer reduziert sich dadurch auf ein Minimum, so dass dadurch auch das Volumen des Wirbelbettofens 3 reduziert werden kann. Das Wirbelbett kann auch durch Zusatzheizungen von außen auf die Arbeitstemperatur gebracht werden.
Der Vorteil dieses Wirbelbettverfahrens liegt darin, dass dünnwandige Leichtmetall-Gussbauteile 10 wärmebehandelt werden können, ohne dass aufwendige und großvolumige Gestelle zur Stützung eines solchen Leichtmetall-Gussbauteil 10 erforderlich sind, wie sie für Durchlaufanlagen oder Batch- bzw. Kammeröfen bekannt sind, da die dünnwandigen Leichtmetall-Gussbauteile 10 durch die schwebenden Teilchen des Wirbelbettes getragen werden. Dadurch wird der Verzug durch eine solche Wärmebehandlung nach dem Wirbelbettverfahren äußerst gering gehalten, so dass eine nachfolgende Bearbeitung der Leichtmetall-Gussbauteile 10 nicht erforderlich ist.
Ein weiterer Vorteil durch die Nutzung des Wirbelbettverfahrens liegt darin, dass die Leichtmetall-Gussbauteile 10 nach der Wärmebehandlung in dem Wirbelbettofen 3 nicht mehr gereinigt werden müssen, also auch hierdurch die Prozesszeit zur Herstellung des Leichtmetall-Gussbauteil 10 reduziert wird.
Mit einer solchen Gießzelle 1 gemäß 1 wird ein hoher Integrationsgrand erreicht, da die Wege zwischen den einzelnen Stationen kurz sind und daher die einzelnen Prozessschritte innerhalb einer solchen Gießzelle 1 schnell aufeinanderfolgen können.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetall-Gussbauteils 10 kann auch mit einer klassischen Gießzelle durchgeführt werden, aus der anschließend die Leichtmetall-Gussbauteile 10 entnommen und einem externen Wirbelbettofen als Wärmebehandlungsstelle zugeführt werden. Die für das Wirbelbettverfahren aufgeführten Vorteile gelten natürlich auch bei dieser Variante.
Bezugszeichenliste

1: Gießzelle
2: Druckgießmaschine
3: Wirbelbettofen
4: Stanzeinheit
5: Abschreckbecken
6: Handhabungsvorrichtung, Roboter
10: Leichtmetall-Gussbauteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2311996 A2 [0004]
EP 1900457 A1 [0006]
DE 3622668 C1 [0008]
DE 60119579 T2 [0008]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Leichtmetall-Gussteilen (10), insbesondere Aluminium oder Magnesium-Druckgussteile, umfassend folgende Verfahrensschritte: – Gießen des Leichtmetall-Gussteiles (10) mittels einer eine Druckgießmaschine (2) umfassenden Gießzelle (1), und – Durchführung einer Wärmebehandlung mittels eines Wirbelbettofens (3).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbelbettofen (3) in die Gießzelle (1) integriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Gießvorgang ein Stanzvorgang und/oder ein Entgratungsschnitt mittels einer Stanzeinheit (4) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung der Wärmebehandlung mittels des Wirbelbettofens (3) die Wärmebehandlungsschritte Lösungsglühen des Leichtmetall-Gussbauteiles (10), Abschrecken des Leichtmetall-Gussbauteils (10) und Auslagerung des Leichtmetall-Gussbauteils (10) durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an den Gießvorgang ein Abschrecken des Leichtmetall-Gussbauteils (10) durchgeführt wird.
Vorrichtung zur Herstellung eines Leichtmetall-Gussbauteiles (10), insbesondere eines Aluminium oder Magnesium-Druckgussteiles, umfassend eine Gießzelle (1) mit einer Druckgussmaschine (2) zum Druckgießen des Leichtmetall-Gussbauteils (10), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung einer Wärmebehandlung des gegossenen Leichtmetall-Gussbauteils (10) die Gießzelle (1) einen Wirbelbettofen (3) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießzelle (1) eine Stanzeinheit (4) aufweist, mit welcher nach dem Gießen des Leichtmetall-Gussbauteils (10) ein Stanz- und/oder Entgratungsschnitt durchgeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießzelle (1) ein Abschreckbecken (5) umfasst, mit welchem im Anschluss an den Gießvorgang ein Abschrecken des Leichtmetall-Gussbauteils (10) durchgeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießzelle eine Handhabungsvorrichtung (6) zum Transport des Leichtmetall-Gussbauteils aufweist.