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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Leichtmetall-Bauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Bauteil nach dem Patentanspruch 9.
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Leichtmetall-Gussteile, insbesondere Druckgussteile, werden in der Regel nach dem Gießvorgang wärmebehandelt, um die mechanischen Kennwerte über Gefügeumwandlungen einzustellen. Der Wärmebehandlungsprozess ist in der Regel mehrstufig, und zwar mit dem folgenden Ablauf: Lösungsglühung, Abschreckung mittels eines Kühlmediums, das heißt mittels bewegter Luft, im Wasserbad oder mit einem zum Beispiel durch Wasserdüsen erzeugten Wassernebel, gefolgt von einer Warmauslagerung. Im Lösungsglühprozess werden aushärtende Elemente, wie zum Beispiel Magnesium oder Kupfer, in Lösung gebracht. Die Abschreckung ermöglicht, dass die Elemente komplett oder teilweise in Lösung bleiben, damit die gelösten Elemente gezielt bei der Warmauslagerung ausgeschieden werden können. Je größer der Abschreckgradient ist, desto größer ist auch der Anteil des in Lösung bleibenden Elementgehaltes. Bei geringeren Abschreckgradienten werden dagegen die aushärtenden Elemente schon bei der Abkühlung aus dem Lösungsglühen teilweise ausgeschieden und stehen diese somit für eine spätere Aushärtung in der Warmauslagerung nicht mehr zur Verfügung.
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Aus der
EP 0 752 479 B1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Aushärten eines Leichtmetall-Bauteils bekannt. Im Abschreck-Prozessschritt des Aushärteverfahren wird als Kühlmedium Wasser verwendet, das von einem Wasserdüsenfeld als Wassernebel in einen Behandlungsraum gefördert wird, in dem sich das Leichtmetall-Bauteil befindet. Der Kühlmedium-Mengenstrom wird in gängiger Praxis kontinuierlich sowie auf konstantem Niveau zugeführt. Beim Auftreffen der ersten Tröpfchen aus dem Wassernebel auf das heiße Bauteil bildet sich ein Dampffilm des an der Bauteil-Oberfläche verdampften Wassers (Leidenfrost-Effekt). Dieser Dampffilm verhindert das weitere Auftreffen der Wassertröpfchen auf der Bauteil-Oberfläche, wodurch sich der Abschreckgradient reduziert.
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Alternativ zur obigen Abschreckung in einem Wasserdüsenfeld kann die Abschreckung auch in einem Wasserbad oder in bewegter Luft, das heißt mittels eines Luftstroms erfolgen. Bei der Abschreckung im Wasserbad muss das Bauteil in Wasser eingetaucht werden. Die Abschreckgradienten sind hier sehr hoch, üblicherweise über 100 K/s. Daher sind gute mechanische Kennwerte zu erreichen. Nachteilig ist jedoch vor allem, dass es zu Bauteilverzügen kommt, da die Abschreckung aufgrund des Eintauchvorgangs nicht homogen erfolgen kann.
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Das Patentdokument
DE 10 2012 010 696 A1 offenbart ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Leichtmetallbauteils mit den Behandlungsschritten Losglühen, Abschrecken und Auslagern, wobei das Kühlmedium beim Abschrecken durch Unterbrechen des Abschreckvorgangs zwischen zwei Abschreckintervallen variiert wird und wobei das Kühlmedium Luft oder Wasser sein kann.
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Das Patentdokument
DE 100 02 021 A1 offenbart ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Gussteils aus einer Aluminiumlegierung mit den Behandlungsschritten Aufheizen, Losglühen, Abschrecken und Auslagern, wobei zuerst in Luft und anschließend in Wasser abgeschreckt wird.
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Generell gilt, dass für die Einstellung optimaler mechanischer Kennwerte ein großer Abschreckgradient im oberen Temperaturbereich vorteilhaft ist, um eine frühzeitige Ausscheidung der aushärtenden Elemente zu verhindern.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Aushärten eines Leichtmetall-Bauteils bereitzustellen, bei dem im Vergleich zum Stand der Technik in einfacher Weise eine zuverlässige Einstellung der mechanischen Kennwerte des Leichtmetall-Bauteils im Aushärteprozess ermöglicht ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruches 6 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass sich im gängigen Abschreckprozess Luftpolster oder Dampffilme (nachfolgend auch allgemein als thermisch isolierendes Kühlmittel-Poster bezeichnet) unmittelbar auf der Bauteil-Oberfläche bilden, die den Abschreckgradienten reduzieren. Vor diesem Hintergrund wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 zur Vermeidung oder Reduzierung eines solchen thermisch isolierenden Kühlmedium-Polsters das Kühlmedium nicht mehr kontinuierlich sowie bei konstantem Mengenstrom appliziert, sondern vielmehr das Kühlmedium variiert und/oder das Kühlmedium mit variierenden Mengenstrom, insbesondere gepulst, auf das Bauteil beaufschlagt. Durch diese bevorzugt gepulste diskontinuierliche Kühlmedium-Beaufschlagung wird erreicht, dass sich das Kühlmittel-Polster auflöst oder zumindest reduziert.
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In einer bevorzugten Prozessfolge kann der Abschreckvorgang in mehrere, zumindest zwei oder drei zeitlich alternierend aufeinanderfolgende Abschreckintervalle aufgeteilt sein. Die aufeinanderfolgenden Abschreckintervalle können sich jeweils in der verwendeten Kühlmedium-Art und/oder im zu beaufschlagenden Kühlmedium-Mengenstrom und/oder in der Applikationsrichtung unterscheiden.
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In einer technischen Umsetzung kann in einem Abschreckintervall das Kühlmedium eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser sein, das in Form von zum Beispiel Wassernebel über Düsen auf das abzuschreckende Bauteil gespritzt wird. Alternativ dazu kann das Kühlmedium ein Luftstrom sein, der über Luftdüsen oder Ventilatoren auf das abzuschreckende Bauteil gerichtet ist. Alternativ und/oder zusätzlich dazu kann in einem weiteren Abschreckintervall die Kühlmedium-Beaufschlagung durchgängig unterbrochen sein (das heißt es erfolgt keine Kühlmediumbeaufschlagung) oder zumindest im Vergleich zu einem vorangegangen Abschreckintervall der Kühlmedium-Mengenstrom reduziert sein.
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Nachfolgend werden besonders bevorzugte Prozessabfolgen während des Abschreckvorganges beschrieben. Bei diesen Prozessabfolgen wird als flüssiges Kühlmedium exemplarisch Wasser verwendet. Es versteht sich, dass anstelle dessen auch jegliche andere geeignete Flüssigkeit einsetzbar ist. So kann in einer ersten Prozessvariante das Abschrecken in zwei alternierend zeitlich aufeinanderfolgende Abschreckintervalle aufgeteilt sein, von denen im ersten Abschreckintervall das Kühlmedium Wasser oder Wassernebel ist und im zweiten Abschreckintervall das Kühlmedium ein Luftstrom ist. Bei dieser Ausführungsvariante wird somit Wassernebel im ersten Abschreckintervall und der Luftstrom im zweiten Abschreckintervall abwechselnd beaufschlagt. Das im ersten Abschreckintervall beaufschlagte Wasser verursacht einen Dampffilm auf der Bauteil-Oberfläche. Diese wird im zweiten Abschreckintervall unter Beaufschlagung von Luft aufgelöst. Im weiteren Abschreck-Prozessverlauf kann das sich im zweiten Abschreckintervall gebildete Luftpolster durch den im nachfolgenden Abschreckintervall beaufschlagten Wassernebel durchbrochen werden.
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Alternativ dazu kann die Abschreckung auch mittels eines Luftdüsenfeldes oder mittels Ventilatoren erfolgen, durch das ein Luftstrom das Bauteil beaufschlagt. Die Beaufschlagung des Bauteils erfolgt hierbei im Vergleich zur obigen Badabschreckung homogen. Jedoch ist der realisierbare Abschreckgradient auf wesentlich geringerem Niveau, etwa bei 2 bis 4 K/s. Bei stark verrippten Bauteilen kommt hinzu, dass sich zum Beispiel in den Bauteiltaschen oder in einer anderen topfförmigen Bauteil-Geometrie ein Luftpolster bildet, was durch die homogen anströmende Luft nicht durchbrochen werden kann. Das heißt, dass trotz der homogenen Anströmung es aufgrund der Luftpolsterbildung zu einer inhomogenen Abkühlung und somit zu inhomogenen Materialkennwerten kommt. Aufgrund des geringen Abschreckgradienten sind die erreichbaren Materialeigenschaften im Vergleich zur obigen Wasserbad-Abschreckung begrenzt.
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In einer weiteren Ausführungsvariante kann das Abschrecken in zwei alternierend zeitlich aufeinanderfolgende Abschreckintervalle aufgeteilt sein, von denen im ersten Abschreckintervall das Kühlmedium ein Luftstrom ist und im zweiten Abschreckintervall die Kühlmedium-Beaufschlagung durchgängig unterbrochen ist. In diesem Fall wird somit die Luft gepulst auf das Bauteil beaufschlagt. Das zweite Abschreckintervall (Kühlmedium-Beaufschlagung unterbrochen) dient dazu, das sich im ersten Abschreckintervall einstellende Luftpolster aufzulösen. Im darauffolgenden ersten Abschreckintervall erfolgt eine erneute Beaufschlagung mit einem Luftstrom.
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In einer weiteren Ausführungsform kann im ersten Abschreckintervall das Kühlmedium Wasser/Wassernebel sein und im alternierend folgenden zweiten Abschreckintervall die Kühlmedium-Beaufschlagung unterbrochen sein. In diesem Fall wird der Wassernebel gepulst auf die Bauteil-Oberfläche beaufschlagt. Das zweite Abschreckintervall (das heißt Kühlmedium-Beaufschlagung ist unterbrochen) dient dazu, den sich ergebenden Dampffilm auf der Bauteil-Oberfläche aufzulösen, bevor im folgenden Abschreckintervall eine erneute Beaufschlagung mit Wassernebel erfolgt.
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Alternativ dazu kann im ersten Abschreckintervall das Kühlmedium in einer ersten Applikationsrichtung auf das Bauteil beaufschlagt werden und im alternierend folgenden zweiten Abschreckintervall das Kühlmedium in einer zweiten Applikationsrichtung auf das Bauteil beaufschlagt werden.
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Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
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Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 in einem Blockschaltbild eine Prozessabfolge zur Wärmebehandlung eines Leichtmetall-Druckgussbauteils;
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2 bis 4 jeweils in einem schematischen Blockschaltdiagramm unterschiedliche Prozessverläufe im Abschreckvorgang einschließlich eines Temperatur-Zeit-Diagramms (2a);
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5 ein weiteres Temperatur-Zeit-Diagramm; und
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6 und 7 weitere Prozessverläufe im Abschreckvorgang.
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In der 1 ist in einem Blockschaltdiagramm ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Leichtmetall-Bauteils 1 veranschaulicht, das in einem nicht gezeigten Druckguss-Verfahren hergestellt worden ist. Demzufolge wird das Bauteil 1 einer Wärmebehandlung unterworfen, die die Behandlungsschritte Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern aufweist. Beim Lösungsglühen werden die aushärtenden Elemente im Bauteil 1, zum Beispiel Magnesium oder Kupfer, in Lösung gebracht, und zwar bei einer vorgegebenen Lösungsglüh-Temperatur TL. Anschließend erfolgt ein Abschreckvorgang. Die Abschreckung ermöglicht es, dass die in Lösung gebrachten Elemente komplett oder teilweise in Lösung bleiben, damit die gelösten Elemente gezielt bei der nachfolgenden Warmauslagerung ausgeschieden werden können. Der Abschreckvorgang erfolgt in der 1 beispielhaft mit einem Wassernebel W als Kühlmedium. Der Abschreckvorgang ist nicht auf die Verwendung von Wassernebel beschränkt. Alternativ dazu kann das Wasser auch in anderer Form beaufschlagt werden oder ein anderes Kühlmedium, etwa Luft, eingesetzt werden.
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Beim Abschreckvorgang ist ein großer Abschreckgradient von besonderer Bedeutung, um einen hohen Anteil des in Lösung bleibenden Elementgehaltes zu gewährleisten. Demgegenüber werden bei reduzierten Abschreckgradienten die aushärtenden Elemente schon bei der Abkühlung aus dem Lösungsglühen teilweise ausgeschieden und stehen diese somit nicht für eine spätere Aushärtung im der Warmauslagerung zur Verfügung.
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Nachfolgend sind in den 2 bis 4 Abschreck-Prozessfolgen veranschaulicht. In der 2 ist die Abschreck-Prozessfolge in zwei alternierende, zeitlich aufeinanderfolgende Abschreckintervalle I, II aufgeteilt. Von diesen wird im ersten Abschreckintervall I ein in einem Luftdüsenfeld generierter Luftstrom L auf das Bauteil 1 beaufschlagt. Innerhalb des ersten Abschreckintervalles I kann der Luft-Mengenstrom konstant bleiben oder gegebenenfalls variieren. Im nachfolgenden zweiten Abschreckintervall II ist die Luftstrom-Beaufschlagung unterbrochen. Das zweite Abschreckintervall II dient dazu, das sich im ersten Abschreckintervall I ergebende Luftpolster aufzulösen, bevor im nachfolgenden ersten Abschreckintervall I eine erneute Beaufschlagung mit dem Luftstrom L erfolgt. Somit wird Luft gepulst auf das Bauteil 1 appliziert.
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Der sich bei dieser Abschreckprozessfolge (2) einstellende Temperaturverlauf ist in dem Temperatur-Zeit-Diagramm der 2a gezeigt. Demnach erfolgt zu Beginn der Prozessfolge im ersten Abschreckintervall I eine Luftstrom-Beaufschlagung L mit anfänglich hoher Abschreckrate. Diese reduziert sich unter Bildung eines Luftpolsters, wodurch sich der Temperaturverlauf im ersten Abschreckintervall I einer gestrichelt angedeuteten Sättigungskurve (2a) annähert. In diesem Moment wird vom ersten in das zweite Abschreckintervall II gewechselt. Im zweiten Abschreckintervall II löst sich das Luftpolster auf. Anschließend wird im folgenden ersten Abschreckintervall I wieder eine erneute Luftstrom-Beaufschlagung L gestartet.
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In der Prozessfolge aus der 3 wird anstelle des Luftstroms L ein Wassernebel W als Kühlmedium eingesetzt, der gepulst auf das Bauteil 1 appliziert wird. So wird im Abschreckintervall I das Bauteil 1 mit Wassernebel W beaufschlagt. Im Abschreckintervall II ist dagegen die Kühlmedium-Beaufschlagung durchgängig unterbrochen. Das Abschreckintervall II dient dazu, den resultierenden Dampffilm aufzulösen, bevor im nachfolgenden sich wiederholenden Abschreckintervall I eine erneute Beaufschlagung mit Wassernebel W erfolgt. Daraus ergibt sich ein Temperatur-Zeit-Verlauf, der mit Ausnahme unterschiedlicher Gefälle im Wesentlichen mit dem in der 2a gezeigten Temperatur-Zeit-Verlauf übereinstimmt.
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In einer dritten Variante einer Abschreckprozessabfolge wird in der 4 das Kühlmedium variiert. So wird im ersten Abschreckintervall I ein Wassernebel W auf die Bauteil-Oberfläche beaufschlagt, während im zweiten Abschreckintervall II ein Luftstrom L auf das Bauteil 1 beaufschlagt wird. Auf diese Weise wird der sich im ersten Abschreckintervall I ergebende Dampffilm unter Beaufschlagung von Luft (Abschreckintervall II) aufgelöst. Das sich dadurch bildende Luftpolster auf der Bauteil-Oberfläche wird dann durch den das folgende Abschreckintervall I (Wassernebel-Beaufschlagung) durchbrochen.
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Der sich bei dieser Abschreckprozessfolge (4) einstellende Temperaturverlauf ist in dem Temperatur-Zeit-Diagramm der 5 gezeigt. Demnach wird zu Beginn der Prozessfolge im ersten Abschreckintervall I eine Wassernebel-Beaufschlagung W mit anfänglich hoher Abschreckrate durchgeführt. Diese reduziert sich unter Bildung eines Dampffilms, wodurch sich der Temperaturverlauf im ersten Abschreckintervall I einer gestrichelt angedeuteten Sättigungskurve (5) annähert. In diesem Moment wird vom ersten in das zweite Abschreckintervall II gewechselt. Im zweiten Abschreckintervall II wird der Luftstrom L beaufschlagt, der den Dampffilm auflöst. Die Luftstrom-Beaufschlagung L im zweiten Abschreckintervall II führt zu einer anfänglich hohen Abschreckrate. Diese reduziert sich im weiteren Verlauf unter Bildung eines Luftpolsters. Anschließend wird im folgenden ersten Abschreckintervall I wieder eine erneute Wassernebel-Beaufschlagung W gestartet. Das erste Abschreckintervall I (Wassernebel-Beaufschlagung W) dient dazu, das sich im vorangegangenen zweiten Abschreckintervall II (Luftstrom-Beaufschlagung L) ergebende Luftpolster aufzulösen, bevor im nachfolgenden zweiten Abschreckintervall II eine weitere Luftstrom-Beaufschlagung L stattfindet. Diese alternierende Prozessfolge kann beispielhaft bis zum Ende des Abschreckvorgangs durchgeführt werden.
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In der 6 ist eine Abschreckprozessfolge gezeigt, in der ebenfalls ein Luftstrom L als Kühlmedium eingesetzt wird, der gepulst auf das Bauteil 1 appliziert wird. So wird im Abschreckintervall I das Bauteil 1 mit dem Luftstrom L beaufschlagt. In der 6 ist das Abschreckintervall I zweigeteilt dargestellt, und zwar mit einem Teilintervall Ia, in dem die Luftstrom-Beaufschlagung noch ohne Bildung eines thermisch isolierenden Luftpolsters erfolgt, und mit einem Teilintervall Ib, in dem sich bereits ein Luftpolster 3 auf der Bauteil-Oberfläche ausgebildet hat. Im anschließenden Abschreckintervall II ist die Luftstrom-Beaufschlagung unterbrochen, so dass sich das Luftpolster 3 auflösen kann.
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In der 7 wird im ersten Abschreckintervall I der Luftstrom L in einer ersten Applikationsrichtung R1 (das heißt in horizontaler Richtung) auf das Bauteil 1 beaufschlagt. Im alternierend folgenden zweiten Abschreckintervall II wird dagegen der Luftstrom L in einer zweiten Applikationsrichtung R2 auf das Bauteil 1 beaufschlagt, die schräggestellt ist.
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In den oben dargelegten Abschreckprozessfolgen ergeben sich im Vergleich zu einer ungepulsten Abschreck-Ausführungsform wesentlich höhere und homogenere Abschreckgradienten, das heißt höhere mechanische Kennwerte sowie weniger Eigenspannungen. Zudem ergeben sich im Vergleich zu einer ungepulsten Abschreck-Prozessvariante homogenere mechanische Kennwerte.
