DE102014018660A1 - Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils, bei welchem das Gussbauteil nach einem Gießvorgang (10) kalt und/oder warm ausgelagert wird, wobei zumindest ein Teil des Gussbauteils nach dem Gießvorgang (10) wenigstens einer Kurzzeitkonditionierung (12, 14, 16) zum gezielten Einwirken auf die Keimbildungs- und Keimwachstumsprozesse im Gefüge des Gussbauteils und/oder zum gezielten Einwirken auf den Eigenspannungszustand des Gussbauteils ausgesetzt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein mittels des Verfahrens hergestelltes Gussbauteil, insbesondere ein Aluminiumgussbauteil.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie ein Gussbauteil nach Anspruch 10.
• Die Wärmebehandlung von Gussbauteilen, insbesondere von Aluminiumgussteilen nach dem Stand der Technik umfasst Lösungsglühen und Abschrecken, Kaltauslagerung sowie Warmauslagerung. Dabei müssen nicht alle genannten Verfahrensschritte zum Einsatz kommen. Konventionelle Herstellungsketten können alle genannten oder nur ein Teil der Herstellungsschritte umfassen. Üblicherweise bezieht die Vorgehensweise das gesamte Bauteil in die Wärmebehandlung ein, indem der Temperatureintrag typischerweise in Öfen gemacht wird. Die DE 10 2011 118 463 A1 zeigt auf, dass die Temperaturbeaufschlagung gegenüber üblicher Vorgehensweise verkürzt werden kann, wenn die Temperaturen erhöht werden.
• Die WO 01/48259 A1 weist auf eine Prozessführung hin, die Festigkeitseigenschaften von aushärtbaren Aluminium-Legierungen durch Steuerung der Keimbildungsvorgänge optimiert. Wesentlich ist, dass die Warmauslagerung begonnen wird, dann mittels geeignetem Abschrecken wieder unterbrochen wird, um bei anschließender Auslagerung an Raumtemperatur oder bis zu einer Temperatur darüber Keimbildungsvorgänge ablaufen lässt. In einer abschließenden Warmauslagerung werden die finalen Festigkeitseigenschaften eingestellt. Die Anfangsauslagerungsdauer liegt zwischen einigen Minuten bis zu 8 Stunden bei Temperaturen, die nahezu für die Einstellung der maximalen Aushärtefestigkeit erforderlich sind nach hinreichend langer Wartezeit, ähnlich einer Kaltauslagerung, wird die Warmauslagerung bei einer Temperatur nahe der Anfangsauslagerung abgeschlossen.
• Das Ergebnis der Auslagerung an einem Gussbauteil hängt von Keimbildungs- und Keimwachstumsvorgängen im Gussbauteil ab, die zu Gefügeveränderungen führen.
• Diese Vorgänge wiederum sind sowohl abhängig von der gewählten Auslagerungstemperatur und Auslagerungszeit sowie vom Materialzustand nach dem Gießen. Oftmals werden mit konventionellen Herstellungsprozessen jedoch nicht immer die erforderlichen Materialeigenschaften im Bauteil beziehungsweise in bestimmten Bauteilzonen erreicht, beziehungsweise ist der Weg zur Erreichung der Kenngrößen relativ kostenintensiv.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils bereitzustellen, mittels welchem zumindest lokal verbesserte Materialeigenschaften im Sinne der geforderten Kennwerte erzielbar sind.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Gussbauteil mit den Merkmalen nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils wird das Gussbauteil nach einem Gießvorgang kalt und/oder warm ausgelagert. Unter dem Begriff kalt auslagern kann sowohl ein definiertes Auslagern im Hinblick auf Zeit und Temperatur als auch eine undefinierte Liegezeit des Bauteils vor einer nachfolgenden Bearbeitung und/oder Verwendung verstanden werden. Um verbesserte Materialeigenschaften bei dem Gussbauteil auf besonders einfache Weise erzielen zu können, ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass zumindest ein Teil des Gussbauteils nach dem Gießvorgang, insbesondere nach dem vollständig abgeschlossenen Gießvorgang und erfolgter Bauteilabkühlung auf im Wesentlichen Raumtemperatur, im Zuge der Herstellprozesskette wenigstens einer Kurzzeitkonditionierung zum gezielten Einwirken auf die Keimbildungs- und Keimwachstumsprozesse im Gefüge des Gussbauteils und/oder zum gezielten Einwirken auf den Eigenspannungszustand des Gussbauteils ausgesetzt wird.
• Durch die wenigstens eine Kurzzeitkonditionierung, insbesondere thermische Kurzzeitkonditionierung, können Materialeigenschaften am Gussbauteil gezielt optimiert werden. Beispielsweise kann durch die erfindungsgemäß vorgesehene wenigstens eine Kurzzeitkonditionierung beim Herstellen des Gussbauteils die Dehngrenze und/oder die Festigkeit und/oder die Bruchdehnung und/oder die Maßstabilität des derart hergestellten Gussbauteils erheblich im Sinne der Anforderungen verbessert werden. Durch die wenigstens eine Kurzzeitkonditionierung beim Herstellen des Gussbauteils wird das Legierungssystem, also das Gussbauteil, zumindest örtlich stärker bzw. modifiziert zur Keimbildung stimuliert. Dadurch sind im Rahmen von nachfolgenden Auslagerungsprozessen, eines Kaltauslagerungsprozesses und/oder eines Warmauslagerungsprozesses, gezielt veränderte Festigkeiten und/oder eine verbesserte Bruchdehnung und/oder eine höhere Maßstabilität erreicht. Eine solche thermische Kurzzeitkonditionierung kann auch impulsartigen Charakter im Sinne der Temperatureinbringung haben. Genauso ist vorstellbar dass diese Impulse wiederholend stattfinden. Zusätzlich oder alternativ muss eine solche thermische Kurzzeitkonditionierung nicht zwingend bei einer konstanten Temperatur durchgeführt werden sondern es ist vielmehr vorstellbar, dass die Temperatureinbringung im Rahmen dieser Wärmebehandlung zeitlich variiert, unter Umständen sogar stark zeitlich variiert.
• Die wenigstens eine Kurzzeitkonditionierung kann sowohl am gesamten Gussbauteil als auch nur lokal an bestimmten Bauteilzonen angewendet werden. Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Leistungssteigerung von Aluminiumgussbauteilen, zum Beispiel bei Kurbelgehäusen in einem Lagerstuhlbereich.
• Bevorzugt erfolgt eine lokale Kurzzeitkonditionierung am Gussbauteil, wodurch hoch belastete Bereiche, wie beispielsweise die Lagerstuhlbereiche von Kurbelgehäusen, gezielt hinsichtlich ihrer geforderten Festigkeit und/oder Bruchdehnung optimiert werden können.
• Insbesondere können auch mehrere Kurzzeitkonditionierungen an unterschiedlichen Stellen der gesamten Herstellkette des Gussbauteils vorgesehen werden. Dabei kann es sich um gleiche oder auch um unterschiedliche Kurzzeitkonditionierungen handeln. Ebenso ist verstellbar, an mehreren Bauteilabschnitten desselben Bauteils solche Kurzzeitkonditionierungen durchzuführen.
• In vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung ist es vorgesehen, dass die wenigstens eine Kurzzeitkonditionierung nach dem Gießvorgang und vor einer Kaltauslagerung und/oder vor einer Warmauslagerung erfolgt. Die Kurzzeitkonditionierung schließt sich dabei vorzugsweise direkt an einen insbesondere vollständig abgeschlossenen Gießvorgang des Gussbauteils an, noch bevor das Gießbauteil danach einer Kaltauslagerung und/oder einer Warmauslagerung ausgesetzt wird.
• In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Gussbauteil nach dem insbesondere vollständig abgeschlossenen Gießvorgang zunächst lösungsgeglüht und abgeschreckt auf im Wesentlichen Raumtemperatur wird, und danach die wenigstens eine Kurzzeitkonditionierung erfolgt. Mit anderen Worten wird das Gussbauteil zunächst gegossen und anschließend einem Lösungsglühen und darauffolgenden Abschrecken auf im Wesentlichen Raumtemperatur ausgesetzt. Erst nach dem Abschrecken wird das Gussbauteil dann mittels wenigstens einer Kurzzeitkonditionierung an wenigstens einem Bauteilbereich behandelt, bevor das Gussbauteil einer Kaltauslagerung und/oder einer Warmauslagerung ausgesetzt wird.
• In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die wenigstens eine Kurzzeitkonditionierung oder mindestens eine weitere Kurzzeitkonditionierung zwischen einer Kaltauslagerung und einer Warmauslagerung erfolgt. Vorzugsweise wird das Gussbauteil einer ersten Kurzzeitkonditionierung ausgesetzt, an welcher sich eine Kaltauslagerung des Gussbauteils anschließt. Nach der Kaltauslagerung des Gussbauteils wird das Gussbauteil vorzugsweise dann einer weiteren Kurzzeitkonditionierung ausgesetzt, an welcher sich eine Warmauslagerung des Gussbauteils anschließt.
• Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die wenigstens eine Kurzzeitkonditionierung oder eine mindestens eine weitere Kurzzeitkonditionierung zwischen einer Warmauslagerung und einer weiteren Warmauslagerung erfolgt. Vorzugsweise wird das Gussbauteil zunächst einer ersten Kurzzeitkonditionierung ausgesetzt, an welcher sich eine Warmauslagerung anschließt. Nach dieser Warmauslagerung wird das Gussbauteil vorzugsweise einer weiteren Kurzzeitkonditionierung ausgesetzt, an welche sich dann eine weitere Warmauslagerung anschließt. Dabei kann es vorgesehen sein, dass nach der weiteren Warmauslagerung eine weitere Kurzzeitkonditionierung des Gussbauteils vorgenommen wird.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die wenigstens eine Kurzzeitkonditionierung oder eine mindestens eine weitere Kurzzeitkonditionierung für eine Dauer von maximal 15 Minuten, insbesondere für eine Dauer von weniger als 2 Minuten, erfolgt. Dadurch können die Materialeigenschaften des Gussbauteils, zumindest lokal, besonders vorteilhaft beeinflusst werden.
• Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens eine Kurzzeitkonditionierung oder mindestens eine weitere Kurzzeitkonditionierung in Form eines Tiefkühlkonditionierungsprozesses des Gussbauteils erfolgt. Durch einen derartigen Tiefkühlkonditionierungsprozess wird die Triebkraft für die Keimbildung von auszuscheidenden, härtungswirksamen Gefügebestandteilen nach dem Gießen beziehungsweise nach dem Lösungsglühen und Abschrecken im Gussbauteil erhöht. Dadurch können wiederum gezielt veränderte Festigkeiten und/oder höhere Bruchdehnungswerte und/oder eine bessere Maßstabilität im Gussbauteil erzielt werden. Die Tiefkühlkonditionierung ist dabei prinzipiell vor jeder Art von Auslagerung des Gussbauteils möglich. Vorzugsweise wird beim Tiefkühlkonditionierungsprozess flüssiger Stickstoff als Kühlmedium eingesetzt.
• Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zumindest eine Kurzzeitkonditionierung oder eine mindestens weitere Kurzzeitkonditionierung in Form eines Erwärmungsprozesses des Gussbauteils erfolgt. Mit anderen Worten erfolgt die Kurzzeitkonditionierung in Form eines thermischen Vorkonditionierungsprozesses. Durch einen derartigen Erwärmungsprozess beziehungsweise thermischen Vorkonditionierungsprozess wird die Keimbildung im Gussbauteil so modifiziert, dass bei einer nachfolgenden konventionellen Auslagerung, sei es eine Kaltauslagerung und/oder eine Warmauslagerung, effektivere Ausscheidungsvorgänge im Gussbauteil stattfinden, wodurch gezielt veränderte Festigkeiten und/oder höhere Bruchdehnungswerte und/oder eine bessere Maßstabilität des Gussbauteils erzielt werden können. Der Erwärmungsprozess beziehungsweise die thermische Vorkonditionierung ist dabei prinzipiell ebenfalls vor jeder Art von Auslagerung möglich. Beim Erwärmungsprozess wird als Wärmequelle vorzugsweise ein Induktor, ein Laserstrahl, ein Elektronenstrahl, ein Infrarotstrahl oder eine Kombination der erwähnten Wärmequellen eingesetzt. Bei der Herstellung des Gussbauteils ist es ebenfalls möglich, Tiefkühlkonditionierungsprozesse und Erwärmungsprozesse des Gussbauteils zu kombinieren beziehungsweise an unterschiedlichen Stellen des Gesamtherstellungsprozesses des Gussbauteils einzusetzen.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur 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.
• Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der einzigen Figur näher erläutert, in welcher unterschiedliche Prozessketten zur Herstellung eines Gussbauteils schematisch dargestellt sind.
• Ein hier nicht dargestelltes Gussbauteil, beispielsweise ein Aluminium-Gussbauteil, wird zunächst in einem Gießvorgang 10, beispielsweise mittels Druckguss, Sandguss, Kokillenguss, Feinguss oder dergleichen, gegossen. Bei dem Gussbauteil kann es sich beispielsweise um ein Kurbelgehäuse handeln.
• Zumindest ein Teil des Gussbauteils kann direkt nach dem Gießvorgang 10 optional einer Kurzzeitkonditionierung 12 zum gezielten Einwirken auf die Keimbildungs- und Keimwachstumsprozesse im Gefüge des Gussbauteils und/oder zum gezielten Einwirken auf den Eigenspannungszustand des Gussbauteils ausgesetzt werden. In der schematischen Darstellung der einzigen Figur sind weitere optionale Kurzzeitkonditionierungen 12, 14, 16 entlang von unterschiedlichen Herstellketten des Gussbauteils eingezeichnet.
• Die jeweiligen optionalen Kurzzeitkonditionierungen 12, 14, 16 erfolgen dabei jeweils für eine Dauer von maximal 15 Minuten, insbesondere für eine Dauer von weniger als 2 Minuten. Die Kurzzeitkonditionierungen 12, 14, 16 können sowohl in Form eines Tiefkühlkonditionierungsprozesses als auch in Form eines Erwärmungsprozesses des Gussbauteils erfolgen. Im Falle eines Tiefkühlkonditionierungsprozesses wird vorzugsweise flüssiger Stickstoff als Kühlmedium zum Tiefkühlen des Gussbauteils eingesetzt. Falls die Kurzzeitkonditionierungen 12, 14, 16 in Form eines Erwärmungsprozesses des Gussbauteils erfolgen, wird als Wärmequelle beispielsweise ein Induktor, ein Laserstrahl, ein Elektronenstrahl, ein Infrarotstrahl oder eine Kombination der erwähnten Wärmequellen zum Erwärmen des Gussbauteils eingesetzt.
• Wie entlang des oberen Zweigs der Herstellungskette zu erkennen, kann also das Gussbauteil nach dem Gießvorgang 10 optional direkt einer Kurzzeitkonditionierung 12 ausgesetzt werden. An diese optionale Kurzzeitkonditionierung 12 können sich sowohl eine Kaltauslagerung 18 als auch eine Warmauslagerung 20 anschließen. Das Gussbauteil kann optional nach der Kaltauslagerung oder nach der Warmauslagerung einer weiteren Kurzzeitkonditionierung 16 ausgesetzt werden. Alternativ ist es auch möglich, dass das Gussbauteil nach der Kaltauslagerung 18 der Kurzzeitkonditionierung 14 zugeführt und danach einer Warmauslagerung 22 ausgesetzt wird. Nach der Warmauslagerung 22 ist es optional möglich, dass das Gussbauteil einer Kurzzeitkonditionierung 16 ausgesetzt wird.
• Gemäß den unteren Zweigen in der schematischen Darstellung der unterschiedlichen Herstellketten ist es auch möglich, dass das Gussbauteil nach dem Gießvorgang 10 zunächst dem Prozessschritt 24 zugeführt wird, in welchem das gegossene Gussbauteil lösungsgeglüht und anschließend abgeschreckt wird. Nach dem Lösungsglühen und Abschrecken insbesondere auf im Wesentlichen Raumtemperatur erfolgt dann eine optionale Kurzzeitkonditionierung 12 des Gussbauteils. Danach wird das Gussbauteil wiederum einer Kaltauslagerung 18 oder einer Warmauslagerung 20 ausgesetzt. Sowohl nach der Kaltauslagerung 18 als auch nach der Warmauslagerung 20 ist es dabei möglich, dass das Gussbauteil danach direkt einer Kurzzeitkonditionierung 16 ausgesetzt wird. Alternativ ist es ebenfalls möglich, dass das Gussbauteil nach der Kaltauslagerung 18 einer Kurzzeitkonditionierung 14 ausgesetzt und im Anschluss daran einer Warmauslagerung 22 ausgesetzt wird. Nach der Warmauslagerung 22 ist es dabei wiederum möglich, dass das Gussbauteil einer Kurzzeitkonditionierung 16 ausgesetzt wird.
• Die Kurzzeitkonditionierungen 12, 14, 16 können sowohl am gesamten Gussbauteil oder auch nur an bestimmten Teilen des Gussbauteils, also lokal, erfolgen. Durch eine lokale Kurzzeitkonditionierung des Gussbauteils, sei es durch ein thermisches Vorkonditionieren mit einer Temperatur höher als +40° Celsius, insbesondere höher als zumindest örtlich +100° Celsius oder durch ein örtliches Tiefkühlkonditionieren mit einer Temperatur kleiner als +5° Celsius, insbesondere kleiner als –20° Celsius, können hoch belastete Bereiche des Gussbauteils, wie beispielsweise Lagerstuhlbereiche von Kurbelgehäusen, gezielt hinsichtlich ihrer Festigkeit und/oder Bruchdehnung optimiert werden.
• Wie aus den vorstehenden Erläuterungen ersichtlich, kann die Kurzzeitkonditionierung an einer oder mehreren Stellen der Gesamtherstellkette des Gussbauteils eingesetzt werden, wodurch eine gezielte Einwirkung auf die Keimbildungs- und Keimwachstumsprozesse im Gefüge des Gussbauteils und/oder auf den Eigenspannungszustand des Gussbauteils erfolgen kann.
• 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
• DE 102011118463 A1 [0002]
• WO 01/48259 A1 [0003]

Claims (10)

1. Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils, bei welchem das Gussbauteil nach einem Gießvorgang (10) kalt und/oder warm ausgelagert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Gussbauteils nach dem Gießvorgang (10) wenigstens einer Kurzzeitkonditionierung (12, 14, 16) zum gezielten Einwirken auf die Keimbildungs- und Keimwachstumsprozesse im Gefüge des Gussbauteils und/oder zum gezielten Einwirken auf den Eigenspannungszustand des Gussbauteils ausgesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Kurzzeitkonditionierung (12, 14, 16) nach dem Gießvorgang (10) und vor einer Kaltauslagerung (18) und/oder vor einer Warmauslagerung (20) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussbauteil nach dem Gießvorgang zunächst lösungsgeglüht und abgeschreckt wird, und danach die wenigstens eine Kurzzeitkonditionierung (12, 14, 16) erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzzeitkonditionierung (14) nach einer Kaltauslagerung (18) oder nach einer Warmauslagerung (20) und vor einer Warmauslagerung (22) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der wenigstens einen Kurzzeitkonditionierung (12, 14, 16) für eine Dauer von maximal 15 Minuten, insbesondere für eine Dauer von weniger als 2 Minuten, erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der wenigstens einen Kurzzeitkonditionierung (12, 14, 16) nur örtlich am Bauteil begrenzt stattfindet, um gewünschte Werkstoffeigenschaften lokal einzustellen.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzzeitkonditionierung (12, 14, 16) in Form eines Erwärmungsprozesses des Gussbauteils erfolgt, wobei die auftretende Temperatur zumindest örtlich am Bauteil zumindest im Wesentlichen höher als +40°C, insbesondere höher als +100° Celsius ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erwärmungsprozess als Wärmequelle wenigstens ein Induktor, ein Laserstrahl, ein Elektronenstrahl, ein Infrarotstrahl oder eine Kombination dieser Wärmequellen eingesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzzeitkonditionierung (12, 14, 16) in Form eines Tiefkühlkonditionierprozesses des Gussbauteils erfolgt, wobei die auftretende Temperatur zumindest örtlich am Bauteil zumindest im Wesentlichen niedriger als +5° Celsius, insbesondere niedriger als –20° Celsius ist.
10. Gussbauteil, insbesondere aus einer Aluminiumbasislegierung, welches mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 wärmebehandelt ist.

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