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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils aus metallischen Werkstoffen sowie ein Verbundbauteil aus Metall, das nach diesem Verfahren erhältlich ist.
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Zur Herstellung von Verbundbauteilen aus Metallen für Kraftwagen, häufig als Hybridbauteile bezeichnet, werden im Stand der Technik in der Regel Gussverfahren angewendet, bei welchen ein metallisches Bauteil vorgelegt und an dieses ein weiteres durch Angießen angefügt wird.
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Bei den durch Gussverfahren hergestellten Bauteilen tritt das Problem auf, dass die Verbindung zwischen dem eingegossenen Teil und dem Umgussteil nicht stabil genug ist, was insbesondere zurückzuführen ist auf physikalische und chemische Unverträglichkeiten, wie einen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder eine mangelnde chemische Verbindung durch metallische Mischphasen im Kontaktbereich.
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Um die Verbindung zwischen der eingegossenen Komponente und dem Umguss zu verbessern, wird im Stand der Technik vorgeschlagen, das einzugießende Bauteil mit einer metallischen Schicht zu versehen, welche dann beim Umgießen durch partielles Anschmelzen einen metallurgischen Verbund bilden soll. Eine derartige Beschichtung ist beispielsweise aus der
DE 10 2007 026 005 A1 bekannt, in welcher ein Bauteil aus einer Al-Legierung zum Eingießen in eine Leichtmetalllegierung auf Al-, oder Al/Mg-Basis mit einer Konditionierungsbeschichtung mit einer Metallbeschichtung aus galvanisch abgeschiedenem Zn oder einer Zn-Legierung beaufschlagt wird.
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In der
DE 10 2009 030 426 wird ein weiteres Verfahren zum Herstellen von Verbundbauteilen für Kraftwagen offenbart, in welchem das einzugießende metallische Teil durch Behandlung mit einer Zinkstaubmischung bei 300 °C bis 600 °C mit einer Zinkdiffusionsschicht beschichtet wird.
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Die Verfahren zum Verbundgießen von Eingussteilen werden insbesondere zur Herstellung von Zylinderlaufbüchsen, Lagerbrücken, Gewindeverstärkungen oder dergleichen in Leichtmetalllegierungen angewendet.
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Aber nicht nur die genannten Teile, sondern auch in zunehmendem Maße andere Fahrzeugteile, wie die sogenannten Strukturbauteile, werden aus Leichtmetall hergestellt. Diese Bauteile werden aus unterschiedlichen Einzelkomponenten zu einem Verbundbauteil, einem sogenannten Hybridbauteil, zusammengesetzt. Hier können verschiedene Teile aus Halbzeugmaterialien, wie Profilen, Blechen und/oder Schmiedeteilen kombiniert werden. Derartige Kombinationen sind bereits im Karosseriebereich und auch Fahrwerksbereich von Automobilen bekannt. Dabei werden durch unterschiedliche Verfahren hergestellte Aluminiumbauteile durch Schweißen, Kleben, Nieten oder Schrauben oder auch durch eine Kombination dieser Fügeverfahren zu einem Hybridbauteil verbunden.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Herstellverfahren haben allerdings den Nachteil, dass sie eine sehr aufwändige Vorbearbeitung der einzelnen Komponenten erfordern, auch ist die erhaltene Stabilität der Verbindungen nicht immer ausreichend und die Einsetzbarkeit in Bezug auf die Komplexität des Bauteils beschränkt.
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Der vorliegenden Erfindung lag somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit welchem aus einer Vielzahl von Einzelkomponenten auf einfache Weise ein Verbundbauteil hergestellt werden kann, das die geforderte Stabilität aufweist.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils aus metallischen Werkstoffen, bei welchem an ein erstes metallisches Bauteil ein zweites metallisches Bauteil angegossen wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das erste Bauteil in einer Gussform angeordnet und mit flüssiger Schmelze umgossen wird und das Verbundbauteil nach dem Abkühlen der Schmelze aus der Form entnommen wird.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, aus mehreren Komponenten unterschiedlicher Geometrie und aus unterschiedlichen Legierungen ein Verbundbauteil herzustellen, das auf die spezifische Belastung in den unterschiedlichen Abschnitten des Bauteils im Einsatz abgestimmt ist.
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Die Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil erfolgt durch ein aus dem Stand der Technik übliches Gussverfahren. Das erste Bauteil wird vorgelegt, die Form des zweiten Bauteils wird durch die Gussform bestimmt. Im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet angegossen auch, dass das zweite Bauteil in ein erstes Bauteil eingegossen wird, dieses erste Bauteil quasi den Umguss bildet. Als Gussverfahren kommen insbesondere Sandguss, Kokillenguss, Schwerkraft-, Niederdruck- und/oder Druckgießverfahren in Betracht.
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Eine weitere Erhöhung der Stabilität und Haltbarkeit des erfindungsgemäß hergestellten Bauteils kann erzielt werden, wenn das erhaltene Verbundbauteil im Anschluss an das erfindungsgemäße Verfahren wärmebehandelt wird. Die Durchführung dieser Wärmebehandlung wird vorzugsweise für das komplett zusammengefügte Bauteil durchgeführt. Dieses hat den Vorteil, dass die Werkstoffkennwerte im Bauteil gleichmäßig eingestellt werden können.
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In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das erste Bauteil Öffnungen auf, durch welche die Schmelze hindurchdringen kann. Auf diese Weise ist es möglich, das erste Bauteil und das angegossene zweite Bauteil formschlüssig und ggf. auch stoffschlüssig miteinander zu verbinden.
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Durch das Angießen des zweiten Bauteils an das erste Bauteil kann es neben der formschlüssigen Verbindung der Bauteile auch zu einer Verbindung mittels Stoffschluss kommen. Dieses ist dann der Fall, wenn die Schmelze der Legierung des anzugießenden Bauteils eine Temperatur aufweist, die über dem Schmelzpunkt der Legierung des ersten Bauteils liegt und die Oberfläche dieses ersten Bauteils, wenn sie mit dem ersten Bauteil in Kontakt kommt, zumindest anschmilzt. Die beiden Schmelzen vermischen sich und es kommt zu einer stoffschlüssigen Verbindung.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in der Regel die im Kraftwagenbau üblichen Metalllegierungen eingesetzt. Um das Gewicht der Fahrzeuge zu reduzieren, sollte mindestens eine der Komponenten des Verbundbauteils aus Leichtmetallguss sein. Die Leichtmetalle sind vorzugsweise ausgewählt aus Al- und/oder Mg- und/oder Ti-Legierungen. Komponenten des herzustellenden Verbundbauteils können auch aus Stahl und anderen Fe-Werkstoffen sein.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Bauteile aus voneinander verschiedenen Legierungen miteinander verbunden werden. Es können Bauteile aus unterschiedlichen Leichtmetalllegierungen und/oder Eisen- bzw. Stahllegierungen miteinander verbunden werden. Beispielsweise ist es möglich, niedriglegierte Halbzeuge mit einem höher legierten Gussteil zu verbinden.
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Als erstes Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung kommen insbesondere Halbzeugbauteile in Betracht, wie Profile, Bleche, dünnwandige Gussteile und/oder Schmiedeteile. Diese ersten Bauteile werden in das zweite Teil eingegossen, so dass das zweite metallische Teil vorzugsweise ein Gussteil ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind eine oder mehrere Komponenten des einzugießenden Bauteils Hohlkörper.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Bauteile hergestellt werden, die eine vielfältige Anwendung, insbesondere im Kraftfahrzeugbau, finden können. Die Kombination von hoher mechanischer Beständigkeit mit geringem Eigengewicht ermöglicht ihren Einsatz insbesondere im Karosseriebau und Fahrwerksbau. Bei der Herstellung von Hybridbauteilen können die einzelnen Bauteile individuell auf ihre Funktion und die lokalen Belastungen innerhalb des Hybridbauteils ausgewählt werden. Mit dieser gezielten Auswahl kann das Verhalten des gesamten Bauteils beeinflusst werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, mehrere Bauteile miteinander zu verbinden. Beispielsweise können in die Gussform mehrere als erstes Bauteil bezeichnete Bauteile, das als erstes Bauteil bezeichnet wird, durch ein zweites Bauteil miteinander verbunden werden, auf der anderen Seite können auch mehrere zweite Bauteile an das erste Bauteil angegossen werden. Es ist möglich, auch komplexe Verbundbauteile herzustellen.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen
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1 einen Längsschnitt durch den Guss einschließlich der Sandkerne und der Kokille;
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2 einen weiteren Längsschnitt durch den Guss einschließlich zweier Sandkerne;
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3 einen Schnitt durch den Verbindungsbereich des Gusses.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Verbundbauteils durch Umgießen wird zunächst, wie in 1 dargestellt ist, ein erstes metallisches Bauteil 1, das vorzugsweise ein Halbzeugbauteil ist, vorgelegt. Das Halbzeugbauteil 1 kann ein Hohlkörper sein, beispielsweise ein Hohlprofil. Als geeignete Profile kommen insbesondere Hohlprofile und profilierte Walzprodukte aus Leichtmetall und Stahl in Betracht.
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In dem Halbzeugteil 1 wird ein erster Sandkern 2 angeordnet. Dieser ist von solcher Länge, dass er sich mit einem Teil seiner Länge in dem hohlen Halbzeugteil 1, und mit dem übrigen Teil seiner Länge außerhalb befindet. Bei der Ausführungsform nach 1 hat der Sandkern 2 die Gestalt einer Hülse, d. h. er ist mit einer durchgehenden Längsöffnung versehen.
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Ein erster Längsabschnitt L1 des Kerns 2 liegt unmittelbar an der Innenwandung des Halbzeugteils 1 an. Weitere Längsabschnitte L2, L3 des Kerns 2 sind so gestaltet, dass ihre Außenwandungen beim anschließenden Guss die Innenkontur des angegossenen zweiten Bauteils 4 vorgeben, d. h. formen.
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Der Kern 2 weist auf seinem gegen das Halbzeugteil 1 anliegenden, ersten Längsabschnitt L1 einen Außendurchmesser auf, der größer ist, als der Außendurchmesser auf dem sich an den ersten Längsabschnitt L1 anschließenden, zweiten Längsabschnitt L2.
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Der zweite Längsabschnitt L2 erstreckt sich teils innerhalb des Halbzeugteils 1, teils ragt er über das Ende 1a des Halbzeugteils 1 aus diesem hinaus.
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Gemäß 1 kann sich an den zweiten Längsabschnitt L2 des Kerns 2 noch ein dritter Längsabschnitt L3 anschließen, auf dem der den Guss formende Außendurchmesser größer ist, als auf dem zweiten Längsabschnitt L2. Der dritte Längsabschnitt L3 kann dazu dienen, eine umlaufende Nut 7 an der Innenwandung des fertig gegossenen Bauteils 4 herzustellen.
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Anschließend, nach dem Einsetzen des Sandkerns 2, wird das Halbzeugbauteil 1 mit einem ein- oder zweiteilig aufgebauten, zweiten Sandkern 3 verschlossen. Der zweite Sandkern 3 erstreckt sich vom Halbzeugbauteil 1 in Richtung zu dem anzugießenden zweiten Bauteil 4. Beim Guss gibt seine Außenwandung 3a die Innenkontur des zweiten Bauteils 4 vor, soweit diese Innenkontur nicht bereits durch den ersten Kern 2 vorgegeben ist.
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Die Anordnung aus Halbzeugteil 1 und den Kernen 2 und 3 wird in eine umgebende Kokillenform 5 eingesetzt. Diese kann aus zwei Halbschalen zusammengesetzt sein. Die Innenwandung 5a der Kokillenform 5 weist auf einem Teil ihrer Länge eine solche Kontur auf, dass sie beim Guss die Außenkontur des zweiten Bauteils 4 vorgibt, d. h. formt. Ein anderer Längsabschnitt der Innenwandung 5a ist soweit nach innen vorspringend gestaltet, dass darin das Halbzeugteil 1 spaltfrei Platz findet. In den Bereich dieses Längsabschnitts gelangt keine Schmelze.
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Dann wird durch Einfüllen der Metallschmelze das zweite Bauteil 4 angegossen, wobei die Kerne 2 und 3 jeweils Abschnitte der Innenkontur des Bauteils 4 formen, und die Kokille 5 dessen Außenkontur formt. Die Zufuhr für das flüssige Metall ist auf der Zeichnung nicht dargestellt. Nach dem Abkühlen der Schmelze wird das fertige Verbundbauteil aus Halbzeugteil 1 und angegossenem zweitem Bauteil 4 der Gussform 5 entnommen und in an sich bekannter Weise weiterverarbeitet bzw. bearbeitet. In einer möglichen Ausführungsform wird dieses Bauteil einer Wärmebehandlung unterzogen.
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Das Halbzeugbauteil 1 ist im Bereich seines zu umgießenden Endes mit mehreren über seinem Umfang verteilt angeordneten Öffnungen 6 versehen. Diese Öffnungen 6 können oval, elliptisch, rund oder eckig sein. Beim Eingießen der metallischen Schmelze zur Herstellung des zweiten Bauteils 4 tritt die Schmelze auch in diese Öffnungen 6 ein, wodurch durch den kompletten Umguss des Rohrprofils ein Formschluss zwischen dem Halbzeugbauteil 1 und dem angegossenen zweiten Bauteil 4 erreicht wird.
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Zum besseren Entformen kann der Sandkern 3 zweiteilig aus zwei Längsabschnitten zusammengesetzt sein. In 1 ist die Trennebene 8 der beiden Längsabschnitte bezeichnet. Sie befindet sich innerhalb des hülsenförmigen Sandkerns 2.
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In 2 ist ein Schnitt durch einen weiteren Guss dargestellt. In dieser zweiten Ausführungsform werden ebenfalls zwei Sandkerne 2, 3 verwendet. Es wird aber nicht das gesamte Halbzeugbauteil 1 durch einen Sandkern verschlossen oder ausgefüllt, vielmehr wird nur das Ende, an welchem später das zweite Bauteil 4 angegossen wird, mit dem ersten Sandkern 2 verschlossen, wozu der Sandkern 2 den Querschnitt des Halbzeugteils 1 vollständig verschließt. An den Sandkern 2 schließt sich dann der zweite Sandkern 3 als weiterer formgebender Gusskern für das anzugießende zweite Bauteil 4 an.
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In 3 ist ein Schnitt durch den Verbindungsbereich zwischen dem Halbzeugbauteil 1 und dem angegossenen zweiten Bauteil 4 dargestellt. Auch in dieser Ausführungsform weist das Halbzeugbauteil an seinem Ende Öffnungen 6 auf, durch welche die flüssige Schmelze hindurchdringen kann, wodurch das Halbzeugbauteil 1 komplett umgossen wird. Durch diesen Umguss wird ein Formschluss zwischen dem Halbzeugbauteil 1 und dem angegossenen Bauteil 4 erreicht.
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Es ist auch möglich, einen Stoffschluss zwischen den beiden Bauteilen 1 und 4 herzustellen, nämlich dann, wenn die Temperatur der Schmelze des anzugießenden Bauteils 4 höher ist als der Schmelzpunkt des Werkstoffs, aus welchem das Bauteil 1 hergestellt ist. Die heiße Schmelze erweicht bzw. schmelzt das Material des Bauteils 1 an, wodurch es zu einer Vermischung des Materials des Bauteils 1 und der Materialschmelze des anzugießenden Bauteils 4 kommt.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine stabile Verbindung zwischen zwei durch ein Gussverfahren miteinander verbundenen Bauteilen erhalten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Halbzeugbauteil
- 1a
- Endes des Halbzeugbauteils
- 2
- erster Sandkern
- 3
- zweiter Sandkern
- 3a
- Außenwandung
- 4
- zweites Bauteil
- 5
- Kokille
- 5a
- Innenwandung
- 6
- Öffnung
- 7
- Nut
- 8
- Trennebene
- L1
- erster Abschnitt
- L2
- zweiter Abschnitt
- L3
- dritter Abschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007026005 A1 [0004]
- DE 102009030426 [0005]
