DE102012008245A1

DE102012008245A1 - Verfahren zum Aushärten eines Bauteils

Info

Publication number: DE102012008245A1
Application number: DE201210008245
Authority: DE
Inventors: Marc Hummel; Andreas Schubert; Peter Uggowitzer
Original assignee: Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ; Audi AG; Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ; Audi AG; Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2012-04-25
Publication date: 2013-10-31
Anticipated expiration: 2032-04-26
Also published as: DE102012008245B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aushärten eines Bauteils aus einer Aluminiumlegierung, bei welchem das Bauteil einer Auslagerung unterzogen wird, wobei das Bauteil für einen ersten Auslagerungszeitraum bei einer ersten Auslagerungstemperatur und für einen zweiten Auslagerungszeitraum bei einer zweiten Auslagerungstemperatur warmausgelagert wird. Im ersten Auslagerungszeitraum erfolgt dabei die Keimbildung, im zweiten das Keimwachstum. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, besonders schnell gut gehärtete Bauteile mit hervorragender kurz- und langfristiger Wärmestabilität zu erhalten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zum Aushärten eines Bauteils aus einer Aluminiumlegierung durch Warmauslagern.
Beim Herstellen von Bauteilen aus Aluminium, insbesondere von Druckgussbauteilen für die Anwendung im Kraftwagenbau, müssen die Bauteile nach dem Gießen in der Regel einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um die notwendigen Materialeigenschaften einzustellen.
Für Bauteile aus Aluminium-Silizium-Legierungen, die eine besonders gute Härte bzw. Festigkeit aufweisen sollen, wird hierfür zunächst eine Lösungsglühung knapp unterhalb der Solidustemperatur der verwendeten Legierung durchgeführt. Beim Lösungsglühen werden möglichst viele aushärtende Legierungsbestandteile im Mischkristall gelöst. Die eigentliche Aushärtung erfolgt im Anschluss an die Lösungsglühung durch Warmauslagern der Bauteile bei einer Temperatur von 150°C–200°C. Beim Warmauslagern scheiden sich die mit sinkender Temperatur weniger gut löslichen Legierungsbestandteile wieder aus, was den gewünschten Aushärtungseffekt ergibt.
Neben einer hohen Festigkeit ist bei Bauteilen für den Kraftwagenbau auch eine gute Temperaturbeständigkeit erforderlich, da diese im Betrieb oft beträchtlichen thermischen Beanspruchungen unterliegen. Dabei kann es zu einer sogenannten Überalterung kommen, die sich negativ auf die Härte bzw. Festigkeit auswirkt.
Die thermische Belastbarkeit kann durch Erhöhen der Auslagerungstemperatur verbessert werden. Dem ist jedoch durch den Mechanismus der Aushärtung beim Auslagern Grenzen gesetzt. Erhöht man die Auslagerungstemperatur zu weit, so sinkt aufgrund der längeren Diffusionswege für die ausscheidungsbildenden Atome die Dichte der beim Auslagern gebildeten Ausscheidungskeime und die gewünschte Festigkeit bzw. Härte wird nicht erreicht.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem Bauteile mit hoher Härte bei gleichzeitig guter Temperaturstabilität gefertigt werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei einem derartigen Verfahren wird eine Auslagerung eines Bauteils aus einer Aluminiumlegierung in zwei Stufen durchgeführt. Das Bauteil wird dabei für einen ersten Auslagerungszeitraum bei einer ersten Auslagerungstemperatur und anschließend für einen zweiten Auslagerungszeitraum bei einer zweiten Auslagerungstemperatur warmausgelagert.
Die mehrstufige Warmauslagerung bringt den Vorteil mit sich, dass die einzelnen Stufen jeweils auf bestimmte physikalische Vorgänge der Aushärtung hin optimiert werden können. Besonders zweckmäßig ist es dabei, die erste Auslagerungstemperatur so zu wählen, dass die Bildung von Keimen der aushärtenden Legierungsbestandteile gefördert wird, und die zweite Auslagerungstemperatur auf optimiertes Keimwachstum hin zu optimieren. Eine solche Aushärtungsbehandlung stellt sicher, dass das behandelte Bauteil eine besonders gute Härte und Festigkeit entwickelt und gleichzeitig eine besonders gute Temperaturstabilität besitzt. Da in der ersten Stufe der Wärmebehandlung die notwendigen Keime erzeugt werden, kann die zweite Stufe bei höheren Auslagerungstemperaturen durchgeführt werden, als im Stand der Technik üblich. So wird die Temperaturstabilität ohne Verlust an Härte und Festigkeit gegenüber dem Stand der Technik erhöht.
Besonders vorteilhaft ist dabei eine erste Auslagerungstemperatur von 50°C bis 120°C und insbesondere von 70°C bis 100°C. Durch die niedrigen Temperaturen sind die Diffusionswege der keimbildenden Atome besonders gering, so dass eine Vielzahl fein verteilter, kleiner Ausscheidungskeime gebildet wird.
Die zweite Auslagerungstemperatur wird vorteilhafterweise auf 200°C bis 240°C und insbesondere auf 220°C bis 230°C festgelegt. Bei diesen Temperaturen ist ein schnelles Wachstum der in der ersten Stufe gebildeten Ausscheidungskeime sichergestellt. Gleichzeitig erhält das Bauteil die notwendige kurzfristige und langfristige Wärmestabilität.
Für beide Auslagerungszeiträume eignet sich insbesondere eine Zeitdauer von 30 min bis 120 min, insbesondere bis 90 min, um bei kurzer Prozesszeit das gewünschte metallurgische Ergebnis zu erzielen.
Das Verfahren eignet sich insbesondere für die Behandlung von Druckgussbauteilen aus Aluminium-Silizium-Legierungen, insbesondere vom Typ AlSiMg(Cu). Es ist ferner vorteilhaft, diese Bauteile vor dem Auslagern einer Lösungsglühung zu unterziehen, um einen möglichst homogenen Mischkristall zu schaffen, aus dem sich die aushärtenden Legierungsbestandteile bei der zweistufigen Warmauslagerung ausscheiden können.
Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1. Ein Diagramm der Härte eines Prüfkörpers in Abhängigkeit von der Länge des zweiten Auslagerungszeitraums und der zweiten Auslagerungstemperatur nach Behandlung des Prüfkörpers mit einer ersten Auslagerungstemperatur von 20°C im Rahmen eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
2. ein Diagramm der Härte eines Prüfkörpers in Abhängigkeit von der Länge des zweiten Auslagerungszeitraums und der zweiten Auslagerungstemperatur nach Behandlung des Prüfkörpers mit einer ersten Auslagerungstemperatur von 70°C im Rahmen eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens
Zur Optimierung eines Auslagerungsverfahrens für Aluminium-Druckgussteile wurden zunächst Prüfkörper aus einer AlMgSiCu-Legierung gegossen und einer üblichen Lösungsglühung unterzogen. Im Anschluss an das Lösungsglühen und Abschrecken wurden die Prüfkörper zunächst bei 20°C (1) bzw. 70°C (2) ausgelagert. Diese erste Auslagerungsstufe wurde von einem zweiten Auslagerungsschritt gefolgt, der bei unterschiedlichen Zeiten und Temperaturen durchgeführt wurde. Abschließend wurde die Härteprüfung nach Brinell nach DIN EN ISO 6506-1 durchgeführt und für jede der Zeit-Temperatur-Kombinationen bestimmt. Die Ergebnisse sind in den Figuren aufgetragen.
In 1 ist zu erkennen, dass nach einer Zwischenauslagerung bei 20°C nahezu unabhängig von der Temperatur der zweiten Auslagerung nach einem Auslagerungszeitraum von 40 min eine rapide Härtung des Prüfkörpers einsetzt. Erst bei längerer Dauer des zweiten Auslagerungszeitraums wird eine Temperaturabhängigkeit sichtbar – die besten Härtungsergebnisse erhält man in einem Bereich 10, der durch eine Auslagerungstemperatur von 155–175°C und eine Auslagerungsdauer von mehr als 120 min bestimmt wird.
Deutlich zweckmäßiger ist es, die Zwischenauslagerung bei 70°C durchzuführen. Entsprechende Härtewerte für unterschiedliche Temperaturen und Auslagerungszeiten der zweiten Auslagerungsstufe nach einer solchen Zwischenauslagerung sind in 2 angegeben.
Hier beginnt bei Auslagerungstemperaturen von mehr als 200°C bereits nach 10 min Auslagerungszeit eine deutliche Härtung einzusetzen. Zweckmäßige Härtungsergebnisse von mehr als 110 HBW 2,57/62,5 erzielt man dabei in einem Bereich von 200–230°C Auslagerungstemperatur bei einer Auslagerungszeit von etwa 15 bis 90 min.
Durch die beschriebene Verfahrensführung kann die gewünschte Bauteilhärte somit innerhalb einer äußerst kurzen Zeit erzielt werden, wobei gleichzeitig die gewünschte kurzfristige und langfristige Wärmestabilität erreicht wird.
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 Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 6506-1 [0017]

Claims

Verfahren zum Aushärten eines Bauteils aus einer Aluminiumlegierung, bei welchem das Bauteil einer Auslagerung unterzogen wird, wobei das Bauteil für einen ersten Auslagerungszeitraum bei einer ersten Auslagerungstemperatur und für einen zweiten Auslagerungszeitraum bei einer zweiten Auslagerungstemperatur warmausgelagert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Auslagerungstemperatur 50°C bis 120°C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Auslagerungstemperatur 70°C bis 100°C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Auslagerungstemperatur 200°C bis 240°C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Auslagerungstemperatur 220°C bis 230°C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Auslagerungszeitraum 30 min bis 90 min andauert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Auslagerungszeitraum 30 min bis 90 min andauert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Aushärten eines Bauteils aus einer Aluminiumdruckgusslegierung, insbesondere einer Aluminium-Silizium-Magnesium-Legierung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil vor dem Auslagern lösungsgeglüht wird.