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Die Erfindung betrifft ein Wärmebehandlungsverfahren für eine Vielzahl von Leichtmetallbauteilen, insbesondere für Aluminium- und Magnesiumgussbauteile, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Ein solches Wärmebehandlungsverfahren ist beispielsweise aus der
DE 196 00 479 A1 bekannt. Leichtmetallbauteile werden mit einer vorgegebenen Lösungsglühtemperatur für eine vorgegebene Lösungsglühdauer lösungsgeglüht. Anschließend erfolgt ein Abschrecken der Leichtmetallbauteile mit einem vorgegebenen Abschreckgradienten mittels eines Abschreckmediums. Danach werden die Leichtmetallbauteile bei einer vorgegebenen Auslagerungstemperatur für eine vorgegebene Auslagerungsdauer warm ausgelagert. Ein besonderes Augenmerk gilt dabei der Abschreckverzögerungsdauer zwischen dem Lösungsglühen und dem Abschrecken, welche besonders gering, insbesondere unterhalb von 7 Sekunden, gehalten wird.
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Die
DE 3926289 A1 offenbart ein Wärmebehandlungsverfahren für Nickelbasis-Superlegierungen. Bauteile aus Nickelbasis-Superlegierungen werden ebenfalls einem Lösungsglühen mit einer anschließenden Abschreckung unterzogen, um gewünschte Gefügeeigenschaften bei den Bauteilen zu erreichen.
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Schließlich kann der
DE 103 25 986 B3 ein Verfahren zum Randzonenhärten eines Werkstücks aus Stahl entnommen werden. Hierbei ist vorgesehen, dass das Werkstück einem ersten Anlasshärteprozess unter Ausbildung eines ersten Randzonenhärtegrads unterzogen wird, und dass anschließend mindestens ein Werkstückteilbereich unter Ausbildung eines zweiten, unterschiedlichen Randzonenhärtegrads einem zweiten Anlasshärteprozess unterzogen wird.
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Leichtmetallbauteile, insbesondere für moderne Fahrzeugkarosserien, werden zur Erzielung eines möglichst optimalen Leichtbaugrads je nach deren Einsatzgebiet mit unterschiedlichen Festigkeiten gefertigt. Zum einen können unterschiedliche Legierungszusammensetzungen verwendet werden, um die entsprechenden mechanischen Kennwerte, insbesondere die Festigkeiten, zu erzielen. Hierzu wird üblicherweise über die Menge der aushärtenden Elemente die Festigkeit mit steigendem Gehalt beeinflusst, beispielsweise durch Zugabe von Magnesium zur Erzielung einer höheren Festigkeitsklasse. Zum anderen können die mechanischen Kennwerte, insbesondere die Festigkeiten, über entsprechende Wärmebehandlungsparameter, beispielsweise während des Lösungsglühens oder des Auslagerns, erzielt werden. Hier kann vor allem durch hohe Lösungsglühtemperaturen und niedrige Auslagerungstemperaturen bei langen Auslagerungszeiten die Festigkeit positiv beeinflusst werden. Vor allem durch das Lösungsglühen werden Bedingungen für eine wirksame Auslagerung geschaffen. Hier werden aushärtende Elemente im Mischkristall gelöst sowie Leerstellenkonzentrationen erhöht, die für die Mobilität der aushärtenden Elemente eine entscheidende Rolle spielen.
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Bei der Verwendung unterschiedlicher Legierungen entsteht üblicherweise ein erhöhter Aufwand und eine zusätzliche Verwechslungsgefahr während der Herstellung solcher Leichtmetallbauteile. Zudem müssen die Legierungen, falls die Leichtmetallbauteile als Gussbauteile hergestellt werden, an entsprechenden Gießmaschinen ausgetauscht werden, falls Bauteile unterschiedlicher Legierungsspezifikation an derselben Maschine gefertigt werden sollen. Bei einer Variation der Wärmebehandlungsparameter ergibt sich das Problem, dass sich unterschiedliche Taktzeiten innerhalb einer Wärmebehandlungsanlage ergeben. Bei einer Umstellung der Festigkeitsklasse muss gegebenenfalls zunächst eine entsprechende Anlage leer gefahren werden. Im Falle von Durchlaufanlagen können die Längen der Lösungsglüh- bzw. Auslagerungskammern nicht optimal aufeinander abgestimmt werden. Deshalb kann keine optimale Ausbringungsmenge für beide Festigkeitsklassen gewährleistet werden.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wärmebehandlungsverfahren für eine Vielzahl von Leichtmetallbauteilen bereitzustellen, mittels welchem auf vereinfachte Weise unterschiedliche mechanische Eigenschaften an den Leichtmetallbauteilen erzielbar sind.
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Diese Aufgabe wird durch ein Wärmebehandlungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei einem erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahren für eine Vielzahl von Leichtmetallbauteilen, insbesondere für Aluminium- und Magnesiumgussbauteile, werden die Leichtmetallbauteile in einer Lösungsglühstation mit einer vorgegebenen Lösungsglühtemperatur für eine vorgegebene Lösungsglühdauer lösungsgeglüht. Anschließend werden die Leichtmetallbauteile mit einem vorgegebenen Abschreckgradienten mittels eines Abschreckmediums abgeschreckt. Danach werden die Leichtmetallbauteile bei einer vorgegebenen Auslagerungstemperatur für eine vorgegebene Auslagerungsdauer warm ausgelagert. Das erfindungsgemäße Wärmebehandlungsverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem Lösungsglühen und dem Abschrecken eine Abschreckverzögerung der Leichtmetallbauteile vorgebbarer Dauer vorgesehen wird, wobei die Abschreckverzögerungsdauer als einziger Parameter des Wärmebehandlungsverfahrens variabel ist.
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Durch das erfindungsgemäße Wärmebehandlungsverfahren ist es somit möglich, unterschiedliche mechanische Eigenschaften, insbesondere die Festigkeit, von den Leichtmetallbauteilen alleine dadurch einzustellen, indem die Abschreckverzögerungsdauer zwischen dem Lösungsglühen und dem Abschrecken variiert wird. Die eigentliche Abschreckung kann dabei mit einem konstanten oder variablen Abschreckgradienten durchgeführt werden. Eine Gesamtabschreckdauer zwischen dem Lösungsglühen und dem Warmauslagern weist dabei vorzugsweise immer einen konstanten Wert auf. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass sich die Gesamtabschreckdauer aus der Abschreckverzögerungsdauer, einer eigentlichen Abschreckdauer und einer von der Abschreckverzögerungsdauer abhängigen Pufferzeit zusammensetzt. Sobald die Abschreckverzögerungsdauer vergrößert bzw. verkleinert wird, wird die Pufferzeit um die entsprechende Dauer verkleinert bzw. vergrößert, sodass die Gesamtabschreckdauer unverändert bleibt. Insofern wird ausschließlich die Abschreckverzögerungsdauer als ein ziger Parameter des Wärmebehandlungsverfahrens aktiv variiert, da die Pufferzeit in Abhängigkeit von der Abschreckverzögerungsdauer automatisch angepasst wird.
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Die entstehende Zeitdifferenz, welche durch eine verzögerte Abschreckung entsteht, muss unter Umständen auch nicht durch die besagte Pufferzeit kompensiert werden, falls eine Warmauslagerungsvorrichtung derart ausgelegt ist, dass durch diese die aufgrund der variierten Abschreckverzögerungsdauer auftretenden Zeitdifferenzen gepuffert werden können. Beispielsweise kann die Warmauslagerungsvorrichtung eine entsprechend große Anzahl an Gestellplätzen aufweisen, in welche die Leichtmetallbauteile vor dem Warmauslagern anzuordnen sind, wobei die Taktung der Warmauslagerungsvorrichtung derart gewählt ist, dass die Leichtmetallbauteile im Wesentlichen unabhängig von der Abschreckverzögerungsdauer immer unmittelbar einem freien Gestellplatz und somit der Warmauslagerungsvorrichtung zugeführt werden können. Insgesamt wird also mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht, dass ein vollständig gleicher Taktablauf für alle Festigkeitsklassen der Leichtmetallbauteile gewährleistet wird. Mit anderen Worten bietet das erfindungsgemäße Wärmebehandlungsverfahren im Besonderen den Vorteil, dass die Gesamtprozesszeit unabhängig von der einzustellenden Festigkeitsklasse im Wesentlichen konstant ist.
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Eine als Durchlaufanlage konzipierte Wärmebehandlungsanlage kann somit optimal dimensioniert werden, da die Gesamttaktzeiten der Wärmebehandlung im Wesentlichen immer gleich sind. Infolgedessen ergibt sich eine optimale Durchsatzmenge bei der Fertigung von unterschiedlichen Festigkeitsklassen auf ein und derselben Wärmebehandlungsanlage. Im Prinzip können beliebig viele unterschiedliche Festigkeitsklassen bei konstanten Wärmebehandlungsparametern, beispielsweise bei konstant eingestellten Zeiten und Temperaturen beim Lösungsglühen und Warmauslagern, alleine durch Variation der Haltezeit vor dem Abschrecken realisiert werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden ausschließlich Leichtmetallbauteile in Form von Aluminium- und Magnesiumgussbauteilen mit der gleichen Legierung, insbesondere des Typs AlSiMg, verwendet. Dadurch, dass eine einzige Aluminiumlegierung zur Herstellung sämtlicher Leichtmetallbauteile verwendet wird, kann beispielsweise ein zeitaufwändiges Leerfahren von Schmelzöfen beim Einsatz von Gussbauteilen entfallen, da keine unterschiedlichen Legierungen auszutauschen sind. Darüber hinaus wird auch die Verwechslungsgefahr zwischen unterschiedlichen Legierungen eliminiert, wodurch die gesamte Prozesssicherheit gesteigert werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Abschreckverzögerungsdauer zwischen 7 s und 5 min, insbesondere zwischen 10 s und 1 min, beträgt. Im Vergleich zur Lösungsglühdauer und Auslagerungsdauer, welche sich im Bereich von einer bis mehreren Stunden bewegen, ist die variable Abschreckverzögerungsdauer relativ gering. Diese wirkt sich somit kaum auf die Gesamtprozessdauer des Wärmebehandlungsverfahrens aus.
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Vorzugsweise beträgt die Lösungsglühtemperatur zwischen 460 und 500°C bei einer Lösungsglühdauer von 0,5 bis 1,5 Stunden, wobei die Auslagerungstemperatur zwischen 190 und 240°C bei einer Auslagerungsdauer von 1,5 bis drei Stunden beträgt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass als Abschreckmedium Luft, Wasser, Öl oder eine Kombination dieser Abschreckmedien verwendet wird. Je nach verwendeten Legierungen und einzustellenden mechanischen Eigenschaften kann somit dasjenige Abschreckmedium herangezogen werden, welches zur Einstellung der gewünschten mechanischen Eigenschaften am besten geeignet ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass während der Abschreckverzögerung die Temperatur der Leichtmetallbauteile um 10°C bis 100°C, insbesondere um 20°C bis 60°C, gegenüber der Temperatur verringert wird, die die Leichtmetallbauteile unmittelbar nach dem Lösungsglühen aufweisen.
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Schließlich ist es in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass als Leichtmetallbauteile dünnwandige Karosserie- oder Fahrwerksbauteile mit Wandstärken im Bereich zwischen 1,5 bis 8 mm verwendet werden. Aufgrund der Dünnwandigkeit der eingesetzten Leichtmetallbauteile wirkt sich die Abschreckverzögerung besonders wirksam auf die Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften aus, da eine relativ gleichmäßige und schnelle Abkühlung der Leichtmetallbauteile nach dem Lösungsglühen erzielbar ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 ein schematisches Temperatur-Zeit-Diagramm, in welchem zwei unterschiedliche Zeit-Temperatur-Verläufe zur Erzielung von zwei unterschiedlichen Festigkeitsklassen über eine Wärmebehandlung gemäß dem Stand der Technik gezeigt sind; und in
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2 ein schematisches Temperatur-Zeit-Diagramm, in welchem ein Wärmebehandlungsverfahren gezeigt ist, bei welchem zur Einstellung von zwei unterschiedlichen Festigkeitsklassen ausschließlich eine Abschreckverzögerungsdauer zwischen einem Lösungsglühen und einem Abschrecken der jeweiligen Leichtmetallbauteile variiert wird.
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Zwei unterschiedliche Temperatur-Zeit-Verläufe 10, 12 jeweiliger, hier nicht näher bezeichneter Leichtmetallbauteile des Typs AlSi10Mg0,3 sind in einem schematischen Diagramm in 1 gezeigt. Die Temperatur-Zeit-Verläufe 10, 12 zeigen dabei jeweils eine Bauteiltemperatur T der beiden Leichtmetallbauteile, welche über der Zeit t gemäß eines Wärmebehandlungsverfahrens, welches dem Stand der Technik entspricht, unterschiedlich eingestellt werden. Zur Einstellung von unterschiedlichen Festigkeitsklassen wird das Leichtmetallbauteil gemäß dem Temperatur-Zeit-Verlauf 10 über eine erste Lösungsglühdauer 14 von 60 Minuten bis auf eine erste Lösungsglühtemperatur 16 von 480°C erhitzt. Gemäß dem zweiten Temperatur-Zeit-Verlauf 12 wird das Leichtmetallbauteil über eine zweite Lösungsglühdauer 18 von 90 Minuten auf eine zweite Lösungsglühtemperatur 20 von 460°C erhitzt.
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Im Anschluss an den Lösungsglühvorgang werden beide Bauteile abgeschreckt und warm ausgelagert. Bei beiden Temperatur-Zeit-Verläufen 10, 12 erfolgt dabei eine Luftabschreckung der Leichtmetallbauteile bei 3 K/s. Wie der Lösungsglühvorgang unterscheiden sich auch die Warmauslagerungsvorgänge, wobei gemäß dem ersten Temperatur-Zeit-Verlauf 10 das Leichtmetallbauteil für eine erste Auslagerungsdauer 22 von 180 Minuten bei einer ersten Auslagerungstemperatur 24 von 190°C gehalten wird. Gemäß dem zweiten Temperatur-Zeit-Verlauf 12 wird das Leichtmetallbauteil für eine zweite Auslagerungsdauer 26 von 120 Minuten bei einer zweiten Auslagerungstemperatur 28 von 220°C gehalten.
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Durch die hier gezeigten Zeit-Temperatur-Verläufe 10, 12 können unterschiedliche Festigkeitsklassen für die gleichen Leichtmetallbauteile hergestellt werden. Bei dem Temperatur-Zeit-Verlauf 10 wird eine höhere Festigkeitsklasse als bei dem Temperatur-Zeit-Verlauf 12 erreicht. Aus den oben genannten Wärmebehandlungsparametern resultieren für das Leichtmetallbauteil nach der Wärmebehandlung gemäß des Temperatur-Zeit-Verlaufs 10 folgende Kennwerte: eine Zugfestigkeit Rm von 220 bis 250 MPa, eine 0,2%-Dehngrenze Rp0,2 von 150 bis 170 MPa sowie eine Bruchdehnung A5 von 10 bis 12%. Für den Temperatur-Zeit-Verlauf 12 ergeben sich nach der Wärmebehandlung folgende Kennwerte: eine Zugfestigkeit Rm von 180 bis 210 MPa, eine 0,2%-Dehngrenze Rp0,2 von 120 bis 140 MPa sowie eine Bruchdehnung A5 von 12 bis 15%.
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In 2 ist in einem schematischen Temperatur-Zeit-Diagramm ein weiteres Wärmebehandlungsverfahren gezeigt, wobei ein Bereich des Diagramms nochmals vergrößert dargestellt ist. In 2 sind ebenfalls zwei unterschiedliche Temperatur-Zeit-Verläufe 30, 32 gezeigt, wobei lediglich in der vergrößerten Ansicht zu erkennen ist, dass es sich tatsächlich um zwei unterschiedliche Temperatur-Zeit-Verläufe 30, 32 handelt. Die Leichtmetallbauteile werden zunächst sowohl für den Temperatur-Zeit-Verlauf 30 als auch für den Temperatur-Zeit-Verlauf 32 bei einer gleichen Lösungsglühdauer 34 bis auf die Lösungsglühtemperatur 36 erhitzt. Im vorliegenden Fall beträgt die Lösungsglühdauer wie bei dem Temperatur-Zeit-Verlauf 10 aus 1 eine Stunde, wobei die Lösungsglühtemperatur 36 auf 480°C eingestellt wird. Bei den Leichtmetallbauteilen handelt es sich vorliegend ebenfalls um eine AlSi10Mg0,3-Legierung, wobei auch andere Variationen von Aluminium- oder Magnesium-Legierungen, insbesondere von Aluminium-Silizium-Magnesium-Legierungen, verwendet werden können. Bei den Leichtmetallbauteilen handelt es sich dabei um dünnwandige Karosserie- oder Fahrwerksbauteile mit Wandstärken im Bereich zwischen 1,5 bis 8 mm.
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Nach Beendigung des Lösungsglühens wird das Leichtmetallbauteil gemäß dem Temperatur-Zeit-Verlauf 30 wie bei dem Temperatur-Zeit-Verlauf 10 aus 1 im Wesentlichen unmittelbar bis auf Raumtemperatur gemäß einem vorgegebenen Abschreckgradienten von 3 K/s mittels Luft innerhalb von einer Abschreckdauer 52 abgeschreckt. Wie in dem vergrößerten Abschnitt zu erkennen ist, wird das Leichtmetallbauteil gemäß dem Temperatur-Zeit-Verlauf 32 einer Abschreckverzögerung mit einer Abschreckverzögerungsdauer 38 von 20 s unterzogen, wodurch die Bauteiltemperatur T um eine Temperaturdifferenz ΔT abgesenkt wird. Während der Abschreckverzögerung wird die Temperatur T der Leichtmetallbauteile um 20°C bis 60°C gegenüber der Temperatur 36 verringert, die die Leichtmetallbauteile unmittelbar nach dem Lösungsglühen aufweisen. Die Abschreckverzögerung nach dem Lösungsglühen bewirkt somit eine Abkühlung des Leichtmetallbauteils und infolgedessen eine Verringerung der Leerstellenkonzentration sowie der gelösten Legierungselemente.
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Nach der Abschreckverzögerung wird das Leichtmetallbauteil gemäß dem Temperatur-Zeit-Verlauf 32 ebenfalls innerhalb von der Abschreckdauer 52 mit 3 K/s mittels Luft abgeschreckt, wobei der Temperatur-Zeit-Verlauf 32 zumindest im Wesentlichen mit dem Temperatur-Zeit-Verlauf 30 übereinstimmt. Eine Gesamtabschreckdauer 56 zwischen dem Lösungsglühen und dem Warmauslagern weist für beide Temperatur-Zeit-Verläufe 30, 32 dabei immer einen konstanten Wert auf. Dies wird dadurch erzielt, dass sich die Gesamtabschreckdauer 56 aus der Abschreckverzögerungsdauer 38, der eigentlichen Abschreckdauer 52 und einer von der Abschreckverzögerungsdauer 38 abhängigen Pufferzeit 54 zusammensetzt. Sobald die Abschreckverzögerungsdauer 38 vergrößert bzw. verkleinert wird, wird die Pufferzeit 54 um die entsprechende Dauer verkleinert bzw. vergrößert, sodass die Gesamtabschreckdauer 52 unverändert bleibt.
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Schließlich werden die Leichtmetallbauteile nach dem Abschrecken gleichermaßen warm ausgelagert, wobei gemäß beiden Temperatur-Zeit-Verläufen 30, 32 eine gleiche Auslagerungstemperatur 40 über eine gleiche vorgegebene Auslagerungsdauer 42 eingestellt wird. Vorliegend beträgt, wie bei dem Temperatur-Zeit-Verlauf 10 aus 1, die Auslagerungstemperatur 40 190°C und die Auslagerungsdauer 42 drei Stunden. Aufgrund der durchgeführten Abschreckverzögerung gemäß des Temperatur-Zeit-Verlaufs 32 ergibt sich bei dem Leichtmetallbauteil eine geringere Festigkeit als bei dem Leichtmetallbauteil, welches gemäß des Temperatur-Zeit-Verlaufs 30 der Wärmebehandlung unterzogen worden ist.
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Da der Temperatur-Zeit-Verlauf 30 somit dem Temperatur-Zeit-Verlauf 10 aus 1 entspricht, resultierenden für gleiche Leichtmetallbauteile auch die gleichen bereits oben genannten Kennwerte. Für den Temperatur-Zeit-Verlauf 32, also mit einer Abschreckverzögerung von 20 Sekunden, ergeben sich nach der Wärmebehandlung die gleichen Kennwerte wie bei dem Temperatur-Zeit-Verlauf 12 aus 1.
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Es wird somit ersichtlich, dass durch die alleinige Variation der Abschreckverzögerungsdauer 38 während des Wärmebehandlungsverfahrens bei sonst gleichen Wärmebehandlungsparametern und gleichen Legierungszusammensetzungen die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Festigkeitseigenschaften, der dem Wärmebehandlungsverfahren unterzogenen Leichtmetallbauteile auf einfache Weise beeinflusst werden können, ohne dass die Taktzeiten des Wärmebehandlungsverfahrens insgesamt verändert werden müssen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19600479 A1 [0002]
- DE 3926289 A1 [0003]
- DE 10325986 B3 [0004]
