DE102012008245B4

DE102012008245B4 - Verfahren zum Aushärten eines Bauteils

Info

Publication number: DE102012008245B4
Application number: DE102012008245.2A
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: 2020-07-02
Anticipated expiration: 2032-04-26
Also published as: DE102012008245A1

Abstract

Verfahren zum Aushärten eines Bauteils aus einer härtbaren Aluminiumlegierung, bei welchem das Bauteil einer zweistufigen Auslagerung unterzogen wird, wobei das Bauteil für einen ersten Auslagerungszeitraum bei einer ersten, niedrigeren Auslagerungstemperatur und anschließend für einen zweiten Auslagerungszeitraum bei einer zweiten, höheren Auslagerungstemperatur warmausgelagert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Auslagerungszeitraum 30 min bis 90 min andauert und die erste Auslagerungstemperatur 50°C bis 120°C beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein 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.
Aus der DE 10 2008 056 511 A1 geht ein Verfahren zur Herstellung dünnwandiger Metallbauteile aus einer Al-Si-Mg-Legierung, insbesondere von Bauteilen eines Kraftfahrzeugs, hervor. Die Bauteile werden nach ihrer Formgebung in einem zweistufigen Wärmebehandlungsprozess zunächst lösungsgeglüht und nach erfolgter Abschreckung warm ausgelagert, wobei im Rahmen der Lösungsglühung zunächst eine Erwärmung auf eine erste Temperaturstufe, die für eine vorbestimmte erste Haltezeit gehalten wird, erfolgt, wonach eine weitere Erwärmung auf eine zweite Temperaturstufe erfolgt, die für eine vorbestimmte zweite Haltezeit gehalten wird, nach deren Ablauf die Abschreckung erfolgt.
In der DE 10 2004 013 777 A1 wird eine Al/Si-Legierung und ein Verfahren zur Herstellung eines Gussteils aus einer solchen Legierung beschrieben. In einem ersten Verfahrensschritt wird eine Al/Si-Legierung-Schmelze vergossen. In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt die Lösungsglühung mit anschließender gesteuerter Abkühlung des Gussteils. Ferner wird eine Alterungsbehandlung des lösungsgeglühten und abgekühlten Gussteils durchgeführt. Anschließend erfolgt ein kontrolliertes Aufheizen des Gussteils auf eine 150 °C bis 240 °C betragende Alterungstemperatur mit einer vorbestimmten Heizrate, ein Halten des Gussteils bei Alterungstemperatur für mindestens zwei Stunden und ein Abkühlen des alterungsbehandelten Gussteils.
Aus der DE 10 2008 046 803 A1 geht eine Aluminiumgusslegierung und ein Verfahren zu Herstellung eines Gussbauteils hervor. Bei dem Verfahren wird das Gussbauteil nach dem Gießprozess einem Wärmebehandlungsverfahren mit einer Lösungsglühung und einer anschließenden Auslagerung unterzogen, wobei die Auslagerung in wenigstens zwei Stufen durchgeführt wird, wobei eine Auslagerungstemperatur der ersten Stufe niedriger ist, als eine Auslagerungstemperatur der zweiten Stufe.
In der DE 10 2009 049 999 A1 wird ein Wärmebehandlungsverfahren für das direkte Abschrecken von Aluminiumlegierung-Gussteilen beschrieben. Ein Aluminiumlegierungs-Gussteil kann auf die Lösungsglühtemperatur erwärmt werden. Die Temperatur kann über eine Zeitspanne beibehalten werden, die ausreicht, um die ausscheidungshärtenden Elemente in die feste Aluminiumlösung zu lösen und jegliche morphologische Veränderungen an nichtlöslichen Phasen wie z. B. eine Sphäriodisierung der eutektischen Siliziumphase zu beeinflussen. Nach dem Lösungsglühen kann das Aluminiumlegierung-Gussteil abgeschreckt werden. Das Aluminiumlegierung-Gussteil kann schnell von der Lösungsglühtemperatur direkt auf die Auslagerungstemperatur abgekühlt werden, wobei der Halt bei Raumtemperatur eines herkömmlichen Verfahrens eliminiert ist.
Aus der DE 10 2010 061 895 A1 geht ein Verfahren zum Wärmebehandeln eines Gussbauteils aus einer Aluminiumbasislegierung hervor. Dabei wird das Gussbauteil bei einer vorgegebenen Glühtemperatur für einen vorgegebenen Glühzeitraum in einem ersten Wärmeübertragungsmedium gekühlt und anschließend abgeschreckt, wobei das Gussbauteil zwischen dem Glühen und dem Abschrecken in ein zweites Wärmeübertragungsmedium mit einer vorgegebenen Zwischenabkühltemperatur überführt und dort für einen vorgegebenen Zwischenabkühlzeitraum gehalten wird.
In der DE 201 01 474 U1 ist ein Formmaterial für Bau- oder Formteile aus einer Aluminiumbasislegierung beschrieben. Der Werkstoff weist nach einer aus zumindest dreimaligem Erwärmen und Abkühlen bestehenden Vorbehandlung eine stabilisierte Keimstruktur auf, bei welcher der letzte Warmbehandlungsschritt zur Stabilisierung der Keimstruktur mit abgesenkter Temperatur erfolgt.
Aus der DE 33 29 221 A geht ein verbessertes Alterungsverfahren für Legierungen auf Aluminiumbasis der Reihe 7000 hervor. Dabei wird nach der Wärmebehandlung und dem anschließenden Abschrecken die Legierung einem dreistufigen Alterungsprozess unterworfen. Das verbesserte Verfahren ist besonders wirkungsvoll in Bezug auf die Verbesserung der Festigkeitseigenschaften von langsam abgeschreckten Materialien wie z. B. großen Extrusionskörpern oder Schmiedekörpern.
In der US 5 700 424 A ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung einer Al-Mg-Si-Legierung beschrieben. Dabei umfasst das Verfahren ein Lösungsglühen, ein Abkühlen, eine zweite Wärmebehandlung sowie eine Stabilisierungsbehandlung.
In der DE 10 2009 024 190 A1 ist ein sequentielles Auslagern von Aluminium-Silizium-Gusslegierungen beschrieben. Aluminiumgussstücke mit erhöhter Dehnungs- und Zugfestigkeit werden durch sequentielles Auslagern eines lösungsgeglühten Gussstückes, gefolgt von einem schnellen Erwärmen auf Nukleationstemperatur, gefolgt von einem schnellen Abkühlen und danach einem erneuten Erwärmen auf Präzipitatwachstumstemperatur erhalten.
Die DE 600 23 753 T2 beschreibt ein Verfahren zum Wärmebehandeln für alterungshärtende Aluminiumlegierungen. Die Verfahrensschritte umfassen dabei ein künstliches Altern der Legierung bei einer Temperatur T_A, ein Abschrecken der Legierung auf eine Temperatur im Bereich zwischen Raumtemperatur und -10 °C, ein Halten der nicht ausgehärteten und abgeschreckten Legierung bei einer Temperatur T_B und ein Erwärmen der Legierung von der Temperatur T_B auf eine Temperatur Tc.
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 härtbaren Aluminiumlegierung in zwei Stufen durchgeführt. Das Bauteil wird dabei für einen ersten Auslagerungszeitraum von 30 min bis 90 min bei einer ersten Auslagerungstemperatur von 50°C bis 120°C und anschließend für einen zweiten Auslagerungszeitraum bei einer zweiten, höheren 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 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 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 Al-SiMg(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 eine Ausführungsform davon anhand von 2 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 nicht erfindungsgemäßen ersten Auslagerungstemperatur von 20°C; 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.

Claims

Verfahren zum Aushärten eines Bauteils aus einer härtbaren Aluminiumlegierung, bei welchem das Bauteil einer zweistufigen Auslagerung unterzogen wird, wobei das Bauteil für einen ersten Auslagerungszeitraum bei einer ersten, niedrigeren Auslagerungstemperatur und anschließend für einen zweiten Auslagerungszeitraum bei einer zweiten, höheren Auslagerungstemperatur warmausgelagert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Auslagerungszeitraum 30 min bis 90 min andauert und 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 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Auslagerungstemperatur 200°C bis 240 °C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Auslagerungstemperatur 220°C bis 230 °C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Auslagerungszeitraum 30 min bis 90 min andauert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil vor dem Auslagern lösungsgeglüht wird.