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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Aluminiumgussbauteils gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Aluminiumgussbauteil gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 9.
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Die Wärmebehandlung von Gussbauteilen, insbesondere von Aluminiumgussbauteilen, welche auch als Aluminiumbasisgussteile bezeichnet werden können, umfasst nach dem Stand der Technik verschiedene Behandlungsschritte, wie beispielsweise Lösungsglühen und Abschrecken, Kaltauslagerung oder Warmauslagerung. Dabei müssen nicht alle genannten Verfahrensschritte zum Einsatz kommen. Konventionelle Herstellungsketten können alle genannten oder nur einen Teil der Herstellungsschritte umfassen. Üblicherweise wird das gesamte Aluminiumgussbauteil, welches im Folgenden auch vereinfacht als Gussteil oder als Bauteil bezeichnet werden soll, in die Wärmebehandlung einbezogen, indem ein Temperatureintrag in das Bauteil zumeist in Ofen erfolgt. Typischerweise werden Aluminiumbasisgussbauteile bei einer Temperatur von 460°C bis 540°C über einen Zeitraum von ein bis vier Stunden lösungsgeglüht. Da das Material (Aluminium) bei hohen Temperaturen eine reduzierte Festigkeit aufweist setzen Kriecheffekte ein, die das Bauteil unter Umständen unzulässig stark verziehen bzw. verformen. Aus diesem Grunde sind beispielsweise beim Lösungsglühen des Bauteils die Höhe von Lösungsglühtemperaturen und die Dauer von Lösungsglühzeiten in der Regel limitiert. Nach dem Lösungsglühen werden die Bauteile typischerweise abgeschreckt und anschließend einem oder mehreren Auslagerungsprozessen zugeführt, um jeweilige Festigkeitskennwerte und/oder Bruchdehnungskennwerte des Bauteils entsprechend den Anforderungen zu optimieren.
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Das Ergebnis des Auslagerungsprozesses oder der Auslagerungsprozesse an einem Aluminiumgussbauteil hängt letztlich davon ab, wie effektiv das Lösungsglühen inklusive einem optional nachfolgenden Abschreckprozess ist. Durch das Lösungsglühen sollen etwaige, dem Aluminiumbasismaterial zugegebene Legierungselemente möglichst gleichmäßig und übersättigt in einer Aluminiummatrix des Bauteils vorliegen, um eine Basis dafür zu schaffen, dass sich durch die nachfolgende Auslagerung festigkeitssteigernde Gefügeelemente ausbilden und wachsen können.
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Aus der
EP 1 020 540 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Gussbauteilen bekannt, bei welchem ein Gussrohling zur Einstellung von hoher Härte und Festigkeit bereichsweise auf Temperaturen zwischen 450 bis 550°C erwärmt wird.
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Die
DE 10 2014 018 660 A1 offenbart ein Kurzzeitkonditionieren von Gussbauteilen auf Aluminiumbasis. Hier wird das dortige Gussbauteil entweder vollständig oder örtlich begrenzt einer kurzzeitigen thermischen Behandlung unterworfen wird, um damit gezielt auf die Keimbildungs- und Keimwachstumsprozess im Gefüge einwirken zu können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie ein Aluminiumgussbauteil der eingangs genannten Art weiterzuentwickeln.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Aluminiumgussbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Wärmebehandlung eines Aluminiumgussbauteils aus, bei welchem das Aluminiumgussbauteil nach einem Gießvorgang einer Auslagerung unterzogen wird.
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Gemäß der Erfindung wird zumindest ein erster Teilbereich des Aluminiumgussbauteils nach dem Gießvorgang und vor der wenigstens einen Auslagerung wenigstens einem, während einer Zeitspanne von weniger als 10 Sekunden und/oder bei einer Glühtemperatur von mehr als 550°C durchgeführten Kurzzeitlösungsglühen ausgesetzt, um in diesem zumindest einen ersten Teilbereich jeweilige Legierungselemente des Aluminiumgussbauteils in einer Aluminiummatrix des ersten Teilbereichs zu verteilen, wobei zumindest ein, von dem ersten Teilbereich verschiedener zweiter Teilbereich, des Aluminiumgussbauteils nach dem Gießvorgang bei diesem Kurzzeitlösungsglühen im Wesentlichen unbehandelt bleibt.
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Bei dem Verfahren findet das Lösungsglühen zumindest an dem ersten Teilbereich und damit nur an mindestens einer oder an mehreren Bauteilregionen des Aluminiumgussbauteils statt. Das Aluminiumgussbauteil wird nachfolgend auch als Aluminiumbasisgussbauteil oder vereinfacht als Bauteil bezeichnet. Mit anderen Worten wird nicht das gesamte Bauteil auf Lösungsglühtemperatur gebracht, sondern lediglich ein lokal begrenzter Bereich des Bauteils.
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Beispielsweise kann das Kurzzeitlösungsglühen, welches im Folgenden auch als Lösungsglühbehandlung oder als Lösungsglühen bezeichnet wird, an Lagerstuhlbereichen eines beispielsweise als Kurbelgehäuse ausgebildeten Bauteils angewendet werden, um dort durch die besagte, nachfolgende Auslagerung, welche beispielsweise als Kaltauslagerung und zusätzlich oder alternativ als Warmauslagerung ausgeführt sein kann, erwünschte Festigkeits- oder Bruchdehnungseigenschaften des Bauteils einzustellen.
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Im Falle der nur örtlichen Lösungsglühbehandlung sind auch höhere Glühtemperaturen als nach dem bekannten Stand der Technik möglich, da hierbei kein Kriechen und kein damit verbundener Verzug des gesamten Bauteil auftreten kann. So sind im Falle der örtlichen Lösungsglühbehandlung auch Glühtemperaturen, welche größer als 530°C sind, möglich. Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere mit Glühtemperaturen, welche größer als 550°C sind, besonders gute Festigkeits- oder Bruchdehnungseigenschaften zu erreichen sind. Die Zeitspanne beim Kurzzeitlösungsglühen kann dabei zusätzlich beispielsweise weniger als 10 Sekunden betragen, womit das Verfahren insgesamt besonders schnell und zugleich energiesparend durchgeführt werden kann und somit ressourcenschonend ist. Zudem sind etwaige, örtliche Bauteilverformungen im Bereich hoher Temperatureinbringung vernachlässigbar oder gegebenenfalls durch eine mechanische lokale Nachbearbeitung einfach korrigierbar. Die Wahl einer hohen Lösungsglühtemperatur ermöglicht durch die dadurch in einem Bauteilvolumen, welches dem ersten Teilbereich des Aluminiumgussbauteils entsprechen kann, stattfindenden stark temperaturabhängigen Diffusionsprozesse im Umkehrschluss relativ kurze Glühzeiten (Zeitspannen). Die örtliche Wärmebehandlung hat zudem den Vorteil, dass nur ein relativ geringes Bauteilvolumen, welches dem ersten Teilbereich entspricht, erwärmt werden muss. Dies erlaubt eine sehr schnelle Erreichung einer gewünschten Zieltemperatur, welche auch der besagten Glühtemperatur entsprechen kann, bei deutlich geringerer Gesamtenergiezufuhr als beim Lösungsglühen eines ganzen Bauteils. Dies wiederum hilft Energie, Zeit und Kosten im Herstellprozess zu sparen.
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In Abhängigkeit von einer gewählten Legierung des Bauteils kann beim örtlichen Lösungsglühen eine entsprechende Glühtemperatur sogar so hoch gewählt werden, dass ein zumindest örtliches Aufschmelzen von Gefügebestandteilen erfolgt. Durch Wahl der noch höheren Glühtemperatur, beispielsweise einer Temperatur von mindestens 550°C, lässt sich die Zeitspanne, welche nachfolgend auch als Lösungsglühdauer bezeichnet wird, noch weiter reduzieren. Dieses örtliche Aufschmelzen wiederum führt zu keinem globalen Bauteilverzug beziehungsweise es können eventuell auftretende örtliche Verzüge und/oder Verformungen durch eine lokale mechanische Nachbearbeitung einfach korrigiert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei der wenigstens einen Auslagerung eine Kaltauslagerung und zusätzlich oder alternativ eine Warmauslagerung durchgeführt. Durch die Kaltauslagerung und zusätzlich oder alternativ durch die Warmauslagerung können gewünschte Werkstoffeigenschaften des Bauteils besonders gezielt eingestellt werden. Die Kaltauslagerung und die Warmauslagerung können einander auch nachfolgend und in unterschiedlicher Reihenfolge durchgeführt werden, wodurch eine besonders exakte Einstellung der Werkstoffeigenschaften erfolgen kann. Demzufolge kann beispielsweise zuerst die Warmauslagerung und dann die Kaltauslagerung oder umgekehrt erfolgen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden bei dem wenigstens einen Kurzzeitlösungsglühen in mindestens einem Feld des ersten Teilbereichs flächig und/oder punktuell und/oder linienförmig und/oder spiralförmig und/oder mäanderförmig angeordnete Materialaufaufschmelzungen an einer Bauteiloberfläche des Aluminiumgussbauteils und an einem an die Bauteiloberfläche angrenzenden Bauteilbereich in dem Aluminiumgussbauteil erzeugt, wobei bei der Erzeugung dieser Materialaufschmelzungen sowohl in den Materialaufschmelzungen als auch in zu den Materialaufschmelzungen benachbarten Zonen ein Lösungsglühen hervorgerufen wird. Diese Materialaufschmelzungen stellen Aufschmelzzonen dar, welche auch als Aufschmelzspuren bezeichnet werden können. Die Materialaufschmelzungen können als eine sogenannte „Pilotspur” beziehungsweise als mehrere „Pilotspuren” dienen, welche ein optischer Indikator dafür ist beziehungsweise sind, dass eine an der Aufschmelzzone erreichte Aufschmelztemperatur, welche zumindest im Wesentlichen der Glühtemperatur entsprechen kann, hoch genug war. Das Auftreten dieser Pilotspur ersetzt dabei eine Temperaturkontrolle – beispielsweise in Form einer Temperaturmessung an der Bauteiloberfläche, welche besonders schwierig durchzuführen ist. Jeweilige, beim Lösungsglühen angestrebte Diffusionsprozesse laufen in den örtlich aufgeschmolzenen Bereichen (Materialaufschmelzungen) sehr schnell ab, da die Diffusionsgeschwindigkeiten in der flüssigen Phase sehr hoch sind. Beim Erstarren dieser kurzzeitig flüssigen Bereiche kann zudem ein sehr feines Materialgefüge mit vorteilhaften Eigenschaften im Hinblick auf Härte und/oder Festigkeit und/oder Verformbarkeit entstehen.
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Die in dem ersten Teilbereich zu den Feldern mit Materialaufschmelzungen direkt benachbarten Zonen werden durch die gute Wärmeleitfähigkeit von Aluminium ebenfalls sehr heiß. In diesen benachbarten Zonen erfolgen daher auf Grund der hohen Temperaturen selbst in der kurzen Einwirkdauer effektive Diffusionsprozesse. Mit anderen Worten bildet sich das Feld des Kurzzeitlösungsglühens um die Materialaufschmelzungen herum „automatisch” mit aus. Des Weiteren ist – ähnlich wie bei Schweißprozessen – auch die Erzeugung der Aufschmelzzonen besonders schnell durchführbar und es kann auch eine gute Tiefenwirkung erzielt werden, so dass auch in dem an die Bauteiloberfläche angrenzenden Bauteilbereich des Aluminiumgussbauteils Materialaufschmelzungen hervorgerufen werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird wenigstens eine, von dem Kurzzeitlösungsglühen verschiedene Kurzzeitkonditionierung des zumindest einen ersten Teilbereichs mittels mindestens eines Induktors und/oder mittels mindestens einer Laserstrahlquelle und/oder mittels mindestens einer Elektronenstrahlquelle und/oder mittels mindestens einer Infrarotwärmequelle durchgeführt. Bei diesem Kurzzeitkonditionierschritt werden anders als beim Kurzzeitlösungsglühen Temperaturen von weniger als 400° Celsius angestrebt. Auch liegt der Fokus beim Kurzzeitkonditionieren auf dem gezielten Einwirken auf die Keimbildungs- und Keimwachstumsprozesse und nicht wie beim Kurzzeitlösungsglühen auf der Verteilung der Legierungselemente des Aluminiumgussbauteils in einer Aluminiummatrix. Durch das Durchführen der Kurzzeitkonditionierung mittels einer der eben genannten Wärmequellen können einzelne Bereiche des Bauteils, wie der erste Teilbereich, gezielt erwärmt werden. Der Induktor, die Laserstrahlquelle, die Elektronenstrahlquelle und die Infrarotwärmequelle können auch beliebig miteinander kombiniert werden und beispielsweise gemeinsam zur Durchführung der Kurzzeitkonditionierung herangezogen werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die nach dem wenigstens einen Kurzzeitlösungsglühen durchgeführte, mindestens eine Auslagerung zumindest im Wesentlichen auf den ersten Teilbereich des Aluminiumgussbauteils beschränkt. Die Auslagerung kann dabei beispielsweise der Warmauslagerung entsprechen. Dies stellt eine besonders ressourcenschonende Wärmebehandlung dar, zumal nur an denjenigen Stellen des Bauteils die Auslagerung durchgeführt wird, an welche auch besondere Anforderungen an die Werkstoffeigenschaften gestellt werden.
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Das Lösungsglühen, welches auch als Kurzzeitlösungsglühen bezeichnet wird, kann direkt nach dem Gießvorgang des Bauteils angewendet werden. Zusätzlich oder alternativ kann das Kurzzeitlösungsglühen zu einem späteren Zeitpunkt der Herstellprozesskette oder zu mehreren späteren Zeitpunkten der Herstellprozesskette erfolgen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens eine Auslagerung nach dem wenigstens einen Kurzzeitlösungsglühen am gesamten Aluminiumgussbauteil durchgeführt wird. Bei der Auslagerung kann es sich beispielsweise um eine Warmauslagerung handeln. Durch die Wärmebehandlung des gesamten Bauteils (Aluminiumgussbauteil) können auf einfache Weise die Werkstoffeigenschaften des gesamten Bauteils positiv beeinflusst werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das gesamte Aluminiumgussbauteil nach dem Gießvorgang zunächst einer Lösungsglühbehandlung unterzogen und anschließend vorzugsweise abgeschreckt wird, im Anschluss daran einer Kaltauslagerung und/oder einer Warmauslagerung und im Anschluss an die Kaltauslagerung und/oder die Warmauslagerung dem wenigstens einen Kurzzeitlösungsglühprozess unterzogen wird. Das gesamte Bauteil (Aluminiumgussbauteil) kann dabei zunächst gegossen, lösungsgeglüht, abgekühlt beziehungsweise abgeschreckt und anschließend kalt- und/oder warmausgelagert werden. Anschließend kann örtlich eine weitere, Kurzzeitlösungsglühbehandlung gefolgt von Selbstabkühlung beziehungsweise aktivem Abschrecken und gefolgt von einer globalen Kaltauslagerung und/oder einer globalen Warmauslagerung erfolgen. Unter dem Begriff „global” ist dabei zu verstehen, dass diese letztgenannten Auslagerungen (Kaltauslagerung, Warmauslagerung) am ganzen Bauteil erfolgen können. Es ist jedoch klar, dass die genannten Auslagerungen – im Gegensatz zum Lösungsglühen des gesamten Bauteils – wiederum auch lokal begrenzt, beispielsweise an dem ersten Teilbereich oder an dem zweiten Teilbereich erfolgen können um dadurch gewünschte Werkstoffeigenschaften einzustellen.
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Es ist klar, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch mehrere Lösungsglühbehandlungen beziehungsweise Kurzzeitlösungsglühbehandlungen an dem ersten Teilbereich und/oder an verschiedenen ersten Teilbereichen des Bauteils durchgeführt werden können.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zumindest ein auf den zumindest einen ersten Teilbereich und/oder auf zumindest einen von dem ersten Teilbereich verschiedenen Bereich des Aluminiumgussbauteils begrenzter Kurzzeitkonditionierungsschritt, zur gezielten Beeinflussung von Keimbildungs- und Keimwachstumsprozessen in einem Gefüge des Aluminiumgussbauteils und/oder zur gezielten Beeinflussung eines Eigenspannungszustandes des Aluminiumgussbauteils, durchgeführt wird, wobei der Kurzzeitkonditionierungsschritt während einer Konditionierungsdauer von kleiner gleich 15 Minuten, insbesondere kleiner als 2 Minuten erfolgt, und bei der Kurzzeitkonditionierung eine zumindest bereichsweise Erwärmung des Aluminiumgussbauteils auf eine Konditionierungstemperatur in einem Bereich zwischen 40°C bis 400°C erfolgt. Dadurch können die Werkstoffeigenschaften in dem ersten Teilbereich und zusätzlich oder alternativ in dem von dem ersten Teilbereich verschiedenen Bereich besonders gezielt beeinflusst werden.
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Zu der Erfindung gehört auch ein Aluminiumgussbauteil, welches mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens wärmebehandelt ist. Ein derartiges Aluminiumgussbauteil weist besonders exakt eingestellte, lokal unterschiedliche Werkstoffeigenschaften auf.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Aluminiumgussbauteil zumindest im Bereich der Materialaufschmelzungen des ersten Teilbereichs ein feineres Gefüge auf, als in dem zumindest einen, unbehandelten zweiten Teilbereich und eine Brinellhärte ist in dem Feld um wenigstens 20 HB größer, als in dem zweiten Teilbereich. Dadurch ist das Bauteil lokal besonders belastbar.
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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.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem ein Aluminiumgussbauteil gegossen und zumindest in einem ersten Teilbereich einem Kurzzeitlösungsglühen unterzogen wird;
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2 eine weitere schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem das Aluminiumgussbauteil mehreren Auslagerungs- und/oder Wärmebehandlungsschritten unterzogen wird;
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3 eine Draufsicht auf eine Oberfläche des Aluminiumgussbauteils, in welcher der erste Teilbereich, sowie ein unbehandelter, zweiter Teilbereich des Aluminiumgussbauteils gezeigt ist;
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4 eine weitere Draufsicht auf die Oberfläche des Aluminiumgussbauteils, in welcher eine Materialaufschmelzung flächig über ein Feld des ersten Teilbereichs verteilt ist;
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5 eine weitere Draufsicht auf die Oberfläche des Aluminiumgussbauteils, in welcher die Materialaufschmelzung punktuell über das Feld des ersten Teilbereichs verteilt ist;
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6 eine weitere Draufsicht auf die Oberfläche des Aluminiumgussbauteils, in welcher die Materialaufschmelzung linienförmig über das Feld des ersten Teilbereichs verteilt ist;
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7 eine weitere Draufsicht auf die Oberfläche des Aluminiumgussbauteils, in welcher die Materialaufschmelzung spiralförmig über das Feld des ersten Teilbereichs verteilt ist; und
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8 eine weitere Draufsicht auf die Oberfläche des Aluminiumgussbauteils, in welcher die Materialaufschmelzung mäanderförmig über das Feld des ersten Teilbereichs verteilt ist.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1. und 2 zeigen jeweils wesentliche Schritte jeweiliger Ausführungsbeispiele eines Verfahrens zur Wärmebehandlung eines in 1 und 2 nicht dargestellten Aluminiumgussbauteils 40. Das Aluminiumgussbauteil 40 wird im Folgenden auch als Aluminiumbasisgussbauteil oder als Gussbauteil oder als Bauteil bezeichnet. Bei dem Verfahren wird das Aluminiumgussbauteil 40 in einem Gießvorgang 10, beispielsweise mittels Druckguss, Sandguss, Kokillenguss, Feinguss oder dergleichen, gegossen. Bei dem Aluminiumgussbauteil 40 kann es sich beispielsweise um ein Bauteil für einen Verbrennungsmotor wie ein Zylinderkurbelgehäuse, ein Zylinderkopf, ein Nockenwellenlagergehäuse, ein Ölpumpengehäuse, ein Wasserpumpengehäuse, ein Hochdruckpumpengehäuse oder einen Kolben handeln.
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Nach dem Gießvorgang 10 wird das Aluminiumgussbauteil 40 einer Auslagerung 18, 20 unterzogen, wobei bei der Auslagerung 18, 20 eine Kaltauslagerung 18 und zusätzlich oder alternativ eine Warmauslagerung 20 durchgeführt wird. Zumindest ein in 1 und 2 nicht dargestellter, jedoch in den 3 bis 8 gezeigter, erster Teilbereich 50 des Aluminiumgussbauteils 40 wird nach dem Gießvorgang 10 und vor der Auslagerung 18, 20 wenigstens einem, während einer Zeitspanne von weniger als 10 Sekunden und zusätzlich oder alternativ bei einer örtlichen Glühtemperatur von mehr als 550°C durchgeführten Kurzzeitlösungsglühen 30 ausgesetzt, um in diesem zumindest einen ersten Teilbereich 50 jeweilige Legierungselemente des Aluminiumgussbauteils 40 in einer Aluminiummatrix des Teilbereichs 50 zu verteilen. Dabei bleibt zumindest ein, von dem ersten Teilbereich 50 verschiedener zweiter Teilbereich 70, des Aluminiumgussbauteils 40 nach dem Gießvorgang 10 zumindest weitgehend unbehandelt, das heißt von dem direkten Kurzzeitlösungsglühen 30 ausgenommen. Dabei kann es jedoch sein, dass sich der zweite Teilbereich 70 zumindest bereichsweise erwärmt, wenn der erste Teilbereich 50 dem Kurzzeitlösungsglühen 30 unterzogen wird. Die mögliche Erwärmung im zweiten Teilbereich 70 ist jedoch deutlich geringer als im ersten Teilbereich 50, so dass Diffusionsprozesse, wie diese beim Lösungsglühen angestrebt werden, im zweiten Teilbereich 70 nicht oder wesentlich geringer ausgeprägt sind als im ersten Teilbereich 50.
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Die nach dem wenigstens einen Kurzzeitlösungsglühen 30 durchgeführte, mindestens eine Auslagerung 18, 20 kann im Wesentlichen auf den ersten Teilbereich 50 des Aluminiumgussbauteils 40 beschränkt bleiben.
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Die wenigstens eine Auslagerung 18, 20 kann jedoch nach dem wenigstens einen Kurzzeitlösungsglühen 30 auch am gesamten Aluminiumgussbauteil 40 durchgeführt werden.
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Wie bereits erwähnt, wird der in den 3 bis 8 schematisch dargestellte, erste Teilbereich 50 des Aluminiumbasisgussbauteils 40 nach dem Gießvorgang 10 dem besagten, lokalen Kurzzeitlösungsglühen 30 unterworfen. Der erste Teilbereich 50 kann auch als erster Volumenbereich bezeichnet werden, zumal das Kurzzeitlösungsglühen 30 selbstverständlich nicht nur Flächenbereiche einer Oberfläche 45 des Bauteils 40, sondern schon allein aufgrund von Wärmeleitung auch tiefer gelegene Zonen (unterhalb der Oberfläche 45) in einem Inneren des Bauteils 40 erfasst.
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Dieses Kurzzeitlösungsglühen 30 dient dazu, dass sich jeweilige Legierungselemente teilweise oder möglichst weitgehend in der Aluminiummatrix verteilen und in sogenannter fester Lösung befinden. Optional dazu kann das Bauteil 40 örtlich oder vollständig durch Selbstabschreckung oder durch aktive Kühlung abgeschreckt werden. Durch diesen Abschreckprozess wird die Diffusion der Legierungselemente stark verhindert und ein Aluminiummatrixmischkristall verbleibt in einem sogenannten metastabilen übersättigten Zustand. Dieser Zustand ist wiederum Basis für eine zielgerichtete nachfolgende Ausscheidungshärtung durch die Kaltauslagerung 18 und zusätzlich oder alternativ die Warmauslagerung 20.
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Bei dem wenigstens einen Kurzzeitlösungsglühen 30 können in mindestens einem Feld 90 des ersten Teilbereichs 50 flächig und zusätzlich oder alternativ punktuell und zusätzlich oder alternativ linienförmig und zusätzlich oder alternativ spiralförmig und zusätzlich oder alternativ mäanderförmig angeordnete Materialaufaufschmelzungen 60 an der Bauteiloberfläche 45 des Aluminiumgussbauteils 40 erzeugt werden. Die unterschiedlichen Erscheinungsformen der Materialaufschmelzungen 60 sind exemplarisch in den 3 bis 8 dargestellt, es sind jedoch auch noch weitere Erscheinungsformen, wie beispielsweise oval ausgeprägte Materialaufschmelzungen 60, denkbar.
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Diese Materialaufschmelzungen 60 stellen Aufschmelzzonen dar, welche auch als Aufschmelzspuren bezeichnet werden können. Die wenigstens eine Materialaufschmelzung 60 kann als sogenannte „Pilotspur” dienen, welche ein optischer Indikator dafür ist bzw. sind, dass eine an der Aufschmelzzone erreichte Aufschmelztemperatur, welche zumindest im Wesentlichen der Glühtemperatur entsprechen kann, hoch genug war. Das Auftreten dieser Pilotspur ersetzt dabei eine Temperaturkontrolle – beispielsweise in Form einer Temperaturmessung an der Bauteiloberfläche, welche besonders schwierig durchzuführen ist.
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Die beim Lösungsglühen angestrebten Diffusionsprozesse laufen in den örtlich aufgeschmolzenen Bereichen sehr schnell ab, da die Diffusionsgeschwindigkeiten in der flüssigen Phase sehr hoch sind. Beim Erstarren dieser kurzzeitig flüssigen Bereiche kann zudem ein sehr feines Materialgefüge mit vorteilhaften Eigenschaften im Hinblick auf Härte und/oder Festigkeit und/oder Verformbarkeit entstehen.
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Jeweilige, im Feld 90 des ersten Teilbereichs 50 den Materialaufschmelzungen 60 benachbarte Zonen 100 werden beim Erzeugen der Materialaufschmelzungen 60 aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Aluminium auch sehr heiß. In diesen benachbarten Zonen 100 erfolgen daher auf Grund der hohen Temperaturen selbst in der kurzen Einwirkdauer effektive Diffusionsprozesse. Mit anderen Worten bildet sich das Feld des Kurzzeitlösungsglühens um die Materialaufschmelzungen 60 auch in den benachbarten Zonen 100 „automatisch” mit aus. Des Weiteren ist – ähnlich wie bei Schweißprozessen – auch die Erzeugung der Materialaufschmelzungen 60, welche auch als Aufschmelzzonen bezeichnet werden können, besonders schnell durchführbar und es kann auch eine gute Tiefenwirkung in das Bauteilvolumen, also in einem an die Bauteiloberfläche 45 angrenzenden Bauteilbereich in dem Aluminiumgussbauteil 40 erzielt werden.
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Durch das nur örtliche, auf den ersten Teilbereich 50 begrenzte Kurzzeitlösungsglühen 30 wird relativ wenig Energie in das Bauteil 40 eingebracht, so dass dem Bauteil 40 die Wärme durch aktives Kühlen relativ einfach entzogen werden kann. Andererseits verbleiben neben dem lokal erhitzten ersten Teilbereich 50 auch große Zonen mit deutlich geringerer Temperatur, so dass dadurch auch ein starker Selbstabkühleffekt entsteht. Diese Zonen können beispielsweise auch dem zweiten Teilbereich 70 entsprechen.
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Im Anschluss an das Kurzzeitlösungsglühen 30 finden entweder am ganzen Bauteil 40 oder begrenzt auf lokale Volumenbereiche, insbesondere die Bereiche die zuvor kurzzeitlösungsgeglüht wurden, also begrenzt auf Bereiche wie den ersten Teilbereich 50, eine Kaltauslagerung 18 und zusätzlich oder alternativ eine Warmauslagerung 20 statt.
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Wie in 1 anhand des oberen Pfades der Herstellkette des Aluminiumgussbauteils 40 dargestellt, kann Letzteres nach dem Gießvorgang 10 und dem Kurzzeitlösungsglühen 30 einem Kaltauslagerungsprozess 18 ausgesetzt werden. Alternativ kann anschließend auch eine Warmauslagerung 20 erfolgen, wie im mittleren Pfad dargestellt. Grundsätzlich kann nach dem Kurzzeitlösungsglühen 30 auch eine Warmauslagerung 20 erfolgen.
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Diese in 1 dargestellten, unterschiedlichen Herstellketten werden gewählt, um zumindest örtlich jeweilige gewünschte Materialeigenschaften, beispielsweise eine Härte und zusätzlich oder alternativ eine Dehngrenze und zusätzlich oder alternativ eine Zugfestigkeit und zusätzlich oder alternativ eine Bruchdehnung an dem Bauteil 40 einzustellen. Insbesondere bei der Warmauslagerung 20 bietet sich an, diese auch nur lokal, nämlich im Wesentlichen am ersten Teilbereich 50 und somit im Bereich der zuvor kurzzeitlösungsgeglühten Zone beziehungsweise an mehrerer Zonen (mehrere erste Teilbereiche 50) durchzuführen.
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Die örtliche Energieeintragungsdauer von außen in das Aluminiumgussbauteils 40 beträgt beim örtlichen Kurzzeitlösungsglühen 30 maximal 5 Minuten, bevorzugt maximal 1 Minute und besonders bevorzugt weniger als 10 Sekunden. Das örtliche Kurzzeitlösungsglühen 30 findet dabei bei Glühtemperaturen von im Wesentlichen mindestens 490° Celsius, insbesondere bei Glühtemperaturen über 530°C und besonders bevorzugt bei Glühtemperaturen von größer als 550°C statt. Als Wärmequellen für das Kurzzeitlösungsglühen 30 wird beispielsweise mindestens ein Induktor und zusätzlich oder alternativ mindestens eine Laserstrahlquelle und zusätzlich oder alternativ mindestens eine Elektronenstrahlquelle und zusätzlich oder alternativ mindestens eine Infrarotwärmequelle oder eine Kombination der erwähnten Wärmequellen eingesetzt.
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2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung. Zunächst wird ein in 2 nicht dargestelltes Aluminiumbasisgussbauteil 40 in einem Gießvorgang 10 beispielsweise mittels Druckguss, Sandguss, Kokillenguss, Feinguss oder dergleichen, gegossen. Bei dem Gussbauteil 40 kann es sich wiederum beispielsweise um ein Zylinderkurbelgehäuse, einen Zylinderkopf, ein Nockenwellenlagergehäuse, ein Ölpumpengehäuse, ein Wasserpumpengehäuse, ein Hochdruckpumpengehäuse oder einen Kolben für einen Verbrennungsmotor handeln.
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Im Anschluss daran wird das ganze Gussbauteil 40 einem klassischen Lösungsglühprozess 24, welcher auch als Lösungsglühbehandlung bezeichnet werden kann, unterzogen. Bevorzugt wird das heiße Bauteil 40 anschließend vollständig oder zumindest örtlich abgeschreckt. Danach wird das Bauteil 40 örtlich und zusätzlich oder alternativ vollständig einem Kaltauslagerungsprozess 18' und zusätzlich oder alternativ einem Warmauslagerungsprozess 20' unterworfen.
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Zusammenfassend kann das gesamte Aluminiumgussbauteil 40 nach dem Gießvorgang 10 zunächst der Lösungsglühbehandlung 24 unterzogen, anschließend optional abgeschreckt, im Anschluss daran der besagten Kaltauslagerung 18' und zusätzlich oder alternativ der besagten, Warmauslagerung 20 und dem wenigstens einen Kurzzeitlösungsglühprozess 30 unterzogen werden.
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Wenngleich in 2 nicht dargestellt, ist es in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltungsform des Verfahrens möglich, den mindestens einen Kurzzeitlösungsglühprozess 30 vor und/oder nach dem klassischen Lösungsglühprozess 24, der am ganzen Bauteil durchgeführt wird, aber noch vor einem Kaltauslagerungsprozess 18' und/oder einem Warmauslagerungsprozess 20' durchzuführen. Durch diese örtliche, jedoch nicht am gesamten Bauteil resultierende, doppelte Lösungsglühbehandlung sind besonders günstige Voraussetzungen für Keimbildungs- und Keimwachstumsprozesse beim nachfolgenden Kaltauslagerungsprozess 18' und/oder Warmauslagerungsprozess 20' gegeben. Im Falle, dass der Kurzzeitlösungsglühprozess 30 bereits vor dem Kaltauslagerungsprozess 18' und/oder vor dem Warmauslagerungsprozess 20' stattgefunden hat, kann im Zuge der weiteren Prozesskette noch mindestens ein weiterer Kurzzeitlösungsglühprozess 30 am Bauteil erfolgen oder alternativ entfallen.
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Mit dem ersten Teilbereich 50 erfährt zumindest ein Volumenabschnitt des Aluminiumbasisgussbauteils anschließend ein lokales Kurzzeitlösungsglühen 30. Dieses Kurzzeitlösungsglühen 30 dient dazu, dass sich die Legierungselemente teilweise oder möglichst weitgehend in der Aluminiummatrix verteilen. Optional kann das Bauteil 40 direkt nach dem Kurzzeitlösungsglühen 30 vollständig oder örtlich abgeschreckt werden. Durch diesen Abschreckprozess wird die Diffusion der Legierungselemente zumindest weitgehend unterbunden und der Aluminiummatrixmischkristall verbleibt in einem sogenannten metastabilen übersättigten Zustand. Dieser Zustand ist wiederum Basis für eine zielgerichtete nachfolgende Ausscheidungshärtung durch Kaltauslagerung 18 und zusätzlich oder alternativ Warmauslagerung 20.
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Durch das nur örtliche Kurzzeitlösungsglühen 30 wird relativ wenig Energie in das Bauteil 40 eingebracht, so dass die in der Prozesskette zuvor eingestellten mechanischen Eigenschaften des Bauteils 40 im Wesentlichen nur im Bereich der Wärmeeinflusszone des Kurzzeitlösungsglühens 30 beeinflusst werden. Integral betrachtet behält das Bauteil 40 weitestgehend seine Eigenschaften.
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Im Anschluss an das Kurzzeitlösungsglühen 30 mit optionalem Abschrecken finden am ganzen Bauteil 40 und zusätzlich oder alternativ begrenzt auf lokale Volumenbereiche, wie den ersten Teilbereich 50, insbesondere die Bereiche die zuvor kurzzeitlösungsgeglüht wurden, eine weitere Kaltauslagerung 18 zusätzlich oder alternativ eine weitere Warmauslagerung 20 statt.
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Wie in 2 schematisch dargestellt, können vor dem Kurzzeitlösungsglühen 30 mehrere Pfade beschritten werden. Zunächst wird das Bauteil in einem Gießvorgang 10 gegossen, dann erfolgt ein Lösungsglühen 24 am ganzen Bauteil mit optionalem Abschrecken des Bauteils 40. Im Anschluss daran erfolgt eine Kaltauslagerung 18', wie im oberen Pfad dargestellt oder eine Kaltauslagerung 18' mit nachfolgender Warmauslagerung 20', wie im mittleren Pfad dargestellt. Alternativ kann sich nach dem Lösungsglühen 24 mit optionalem Abschrecken auch direkt eine Warmauslagerung 20' anschließen.
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Die Energieeintragsdauer von außen in das Bauteil beträgt beim örtlichen Kurzzeitlösungsglühen 30 beträgt maximal 5 Minuten, bevorzugt maximal 1 Minute und besonders bevorzugt weniger als 10 Sekunden. Das örtliche Kurzzeitlösungsglühen 30 findet dabei bei Temperaturen von im Wesentlichen mindestens 490° Celsius, insbesondere bei Temperaturen über 530° Celsius und besonders bevorzugt bei Glühtemperaturen von größer als 550°C statt. Als Wärmequellen für das Kurzzeitlösungsglühen 30 wird beispielsweise mindestens ein Induktor zusätzlich oder alternativ mindestens eine Laserstrahlquelle zusätzlich oder alternativ mindestens eine Elektronenstrahlquelle zusätzlich oder alternativ mindestens ein Infrarotwärmequelle oder eine Kombination der erwähnten Wärmequellen eingesetzt.
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Im Anschluss daran erfolgt eine Kaltauslagerung 18, wie im rechten Teil der 2 im oberen Pfad dargestellt oder eine Kaltauslagerung 18 mit nachfolgender Warmauslagerung 20, wie im mittleren Pfad im rechten Teil der 2 dargestellt. Alternativ kann sich nach dem Kurzzeitlösungsglühen 30 mit optionalem Abschrecken auch direkt eine Warmauslagerung 20 anschließen. Dieser Sachverhalt ist in 2 im rechten Teil im unteren Pfad dargestellt.
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Wenngleich in den 1 und 2 nicht dargestellt, ist es grundsätzlich auch möglich, in diese Herstellprozessketten, die das Kurzzeitlösungsglühen 30 beinhalten, auch einen Kurzzeitkonditionierschritt oder mehrere Kurzzeitkonditionierschritte an einem oder an mehreren Volumenelementen des Aluminiumbasisgussbauteils einzubauen. Die Kurzzeitkonditionierung wirkt dabei, anders als das Kurzzeitlösungsglühen, gezielt auf die Keimbildungs- und Keimwachstumsprozesse im Gefüge des Gussbauteils und/oder auf den Eigenspannungszustand des Gussbauteils ein.
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Ein solcher Kurzzeitkonditionierschritt erstreckt sich jeweils über eine Dauer von maximal 15 Minuten, insbesondere über eine Dauer von weniger als zwei Minuten. Dieser Kurzzeitkonditionierschritt beinhaltet eine thermische Behandlung des Bauteils, wobei durch Kühlen zumindest örtlich im Wesentlichen Temperaturen von kleiner als 5°C, insbesondere niedriger als –20°C auftreten können. Dieser Kurzzeitkonditionierschritt kann ferner auch eine thermische Behandlung des Bauteils beinhalten, bei der zumindest örtlich im Wesentlichen Temperaturen im Bereich von 40°C bis 400°C auftreten können.
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Zusammenfassend wird die wenigstens eine, von dem Kurzzeitlösungsglühen 30 verschiedene Kurzzeitkonditionierung des zumindest einen ersten Teilbereichs 50 mittels mindestens eines Induktors und zusätzlich oder alternativ mittels mindestens einer Laserstrahlquelle und zusätzlich oder alternativ mittels mindestens einer Elektronenstrahlquelle und zusätzlich oder alternativ mittels mindestens einer Infrarotwärmequelle durchgeführt. Zumindest ein auf den zumindest einen ersten Teilbereich 50 und zusätzlich oder alternativ auf zumindest einen von dem ersten Teilbereich 50 verschiedenen Bereich (welcher auch beispielsweise dem zweiten Teilbereich 70 entsprechen kann) des Aluminiumgussbauteils 40 begrenzter Kurzzeitkonditionierungsschritt wird zur gezielten Beeinflussung von Keimbildungs- und Keimwachstumsprozessen in einem Gefüge des Aluminiumgussbauteils 40 und zusätzlich oder alternativ zur gezielten Beeinflussung eines Eigenspannungszustandes des Aluminiumgussbauteils 40 durchgeführt, wobei der Kurzzeitkonditionierungsschritt während einer Konditionierungsdauer von kleiner gleich 15 Minuten, insbesondere kleiner als 2 Minuten erfolgt, und bei der Kurzzeitkonditionierung eine zumindest bereichsweise Erwärmung des Aluminiumgussbauteils 40 auf eine Konditionierungstemperatur in einem Bereich zwischen 40°C bis 400°C erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1020540 A1 [0004]
- DE 102014018660 A1 [0005]
