DE102016114580A1

DE102016114580A1 - Verfahren zur herstellung von fehlerfreien grenzflächen in aufgegossenen zweimetall-komponenten

Info

Publication number: DE102016114580A1
Application number: DE102016114580.7A
Authority: DE
Inventors: Qigui Wang; Bing Ye; Haiyan Jiang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-08-13
Filing date: 2016-08-05
Publication date: 2017-02-16
Anticipated expiration: 2036-08-06
Also published as: US9770757B2; CN106424665A; DE102016114580B4; US20170043394A1; CN106424665B

Abstract

Verfahren zum Formen eines Zweimetall-Gussstücks. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen eines Metall-Vorformlings von einer gewünschten Grundform, der eine Substratoberfläche definiert, und das Entfernen einer natürlichen Oxidschicht und Oberflächenverunreinigung von der Substratoberfläche zum Erzeugen eines gereinigten Metall-Vorformlings. Das Verfahren beinhaltet weiterhin das Verzinken des gereinigten Metall-Vorformlings zum Erzeugen eines verzinkten Metall-Vorformlings, gefolgt vom Galvanisieren einer dünnen Nickelschicht auf zumindest einen Teil der Substratoberfläche des verzinkten Metall-Vorformlings. Zusätzlich dazu beinhaltet das Verfahren das metallurgische Binden des Teils des Metall-Vorformlings, der die Nickelschicht enthält, mit einem Aufgießmetall, um ein Zweimetall-Gussstück zu bilden. Die Nickelschicht fördert das metallurgische Binden zwischen dem Metall-Vorformling und dem Aufgießmetall.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Verfahren zur Bildung von Zweimetall-Komponenten für strukturelle Anwendungen, und insbesondere auf Methodologien und Technologien zum Erzielen fehlerfreier metallurgischer Verbindungen, wenn flüssiges Aluminium auf feste Aluminiumobjekte gegossen wird.
Der folgende Abschnitt bietet Hintergrundinformationen zur vorliegenden Offenbarung, bei denen es sich nicht notwendigerweise um den Stand der Technik handelt.
Die Gewichtsreduzierung von Fahrzeugen ist weiterhin eine Triebkraft bei Konstruktion und Entwicklung von Fahrzeugteilen, daher werden verschiedene neue Strategien entwickelt, um Festigkeit bei reduziertem Gewicht zu bieten. Eine Strategie ist das Verfahren des Aufgießens eines Leichtmetalls wie Aluminium oder Magnesium auf ein schwereres Metallsubstrat. Durch das Aufgießen von Aluminium oder Magnesium auf Stahl oder Kupfer kommt man in den Nutzen der Festigkeit des Stahls und der Korrosionsresistenz und Wärmeleitfähigkeit von Kupfer, ohne das Leichtgewicht zu beeinträchtigen, das in vielen Anwendungen angestrebt wird. Nachfolgend auf den Ersatz von eisenhaltigen Gusserzeugnissen durch Aluminium in der Autoindustrie umfassen weitere Innovationen die Verwendung von Hybridlösungen, bei denen Kombinationen von unterschiedlichsten Werkstoffen zur Anwendung kommen.
Die hohe mechanische Festigkeit von Stahl kann beispielsweise mit dem geringen Gewicht von Magnesium vereint werden, um einen Hybridverbund zu schaffen. Ein Beispiel eines in Motoren für Automobile genutzten Hybridverbunds erzielt eine Gewichtseinsparung durch das Gießen von Magnesium auf Aluminium, das im Gegensatz zu Magnesium der korrosiven Einwirkung einer Kühlflüssigkeit widersteht. Aufgießen kann vorteilhaft sein für die Senkung der Bearbeitungskosten oder die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit, wie durch das Einbetten von Kupferrohren in Aluminium. Auf ähnliche Weise können Einsätze in Aluminiumgussteilen verwendet werden, um deren Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit oder Verschleißbeständigkeit lokal zu erhöhen. Aluminium- und Magnesiumguss bieten erhebliche Gewichtseinsparungen im Vergleich zu Bauteilen auf Eisen- oder Kupferbasis. Hohle Abschnitte sind im Allgemeinen effizienter zur Gewichtsreduzierung in einer mechanischen Baugruppe.
Diese Abschnitte können gebildet werden, indem Aluminium auf Rohre aus „schweren“ Werkstoffen aufgegossen wird, wobei das Metallaufgießverfahren sowohl die Komplexität der Formen als auch die Festigkeitsanforderungen einhalten kann.
Ein weiteres Beispiel ist das Aufgießen von Aluminium auf die vorgeformten Leiterstäbe zur Ausbildung der Endringe von Aluminium-Induktionsläufern. Das Gießen von Aluminiumläufern in einem Stück (Stäbe und Endringe werden aus flüssigem Gussaluminium geformt) stellt zahlreiche Herausforderungen, nicht nur an das Gießverfahren, sondern auch an die zur Herstellung der Läufer verwendeten Aluminiumlegierungen. Aluminiumlegierungen, die zum Gießen von Läuferkäfigen verwendet werden, sind gewöhnlich hochreines Aluminium, oder elektrisch reine Knetlegierungen, die alle schwierig zu gießen sind, aufgrund ihrer niedrigen Fluidität, hohen Schrumpfrate (Dichteänderung vom flüssigen zum festen Zustand), hohen Schmelztemperatur und ihres engem Erstarrungsbereichs usw. Diese Eigenschaften der hochreinen Aluminiumlegierungen steigern die Porosität und die Tendenz zu Warmrissen, insbesondere an den Stellen, an denen die Leiterstangen mit den Endringen verbunden sind, was zu Brüchen zwischen Leiterstangen und Endringen führt. Des Weiteren werden viele Aluminium-Läuferkäfige im Hochdruck-Spritzgussverfahren gefertigt, bei dem die langen und dünnen Stäbe (Käfigschlitze) im Stahlblechpaket rasch gefüllt werden, um Kaltläufe zu vermeiden. Die Lufteinschlüsse und die Menge an Aluminiumoxiden, die sich beim Hochdruck-Spritzgussverfahren aufgrund der sehr hohen Fließgeschwindigkeit (um 60 m/s) beim Füllen der Form bilden, können nicht nur die Qualität und Widerstandsfähigkeit des Läufers beeinträchtigen, sondern auch die thermische und elektrische Leitfähigkeit des Läufers senken, insbesondere in den Leiterstäben.
Zweimetall-Gießtechniken können zur Anwendung kommen, um Komponenten mit erhöhter Steifigkeit, Festigkeit, Abnutzungsbeständigkeit und andere funktionale Eigenschaften herzustellen. Zweimetall-Gießtechniken ermöglichen es, zwei verschiedene Metalle miteinander zu kombinieren, während die von den einzelnen Metall- und/oder Legierungsbestandteilen gewährten individuellen Vorteile erhalten bleiben. In verschiedenen Zweimetall-Gießtechniken wird zumindest ein Teil eines Basismaterials oder eines Vorformlings aus einem ersten Metall oder einer ersten Legierung mit einem zweiten Metall bzw. einer zweiten Legierung aufgegossen. Metall-Vorformlinge können eine Oxidschicht oder einen Oxidfilm auf ihrer Substrat-Außenfläche aufweisen. Oxidschichten können sich als einfache amorphe (nicht kristalline) Schichten bilden, wie Al₂O₃ auf Aluminium, MgO auf Magnesium und Mg—Al-Legierungen und Cu₂O auf Kupfer. In bestimmten Aspekten können ihre Strukturen von der amorphen Schmelze stammen, auf der sie nukleieren und/oder wachsen, und sich in komplexe und unterschiedliche Phasen und Strukturen entwickeln. Die Oxidschichten können die Fähigkeit des Metall-Vorformlings zur metallurgischen Bindung mit anderen Metallen bei Bindungsbedingungen beeinträchtigen und/oder negativ beeinflussen. Weiterhin bleibt die Möglichkeit zur erneuten Bildung einer Oxidschicht unter den entsprechenden Oxidationsbedingungen und -parametern, auch wenn eine Oxidschicht einmal entfernt ist. Demnach verbleibt ein Bedarf an verbesserten Methoden zur Bildung noch stärkerer metallurgischer Verbindungen zwischen zwei aneinandergefügten Metallen unter Verwendung von Zweimetall-Gießtechniken.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung umfasst Methoden zur Bildung von Zweimetall-Gussstücken durch Auftragen einer dünnen Nickelschicht auf mindestens einen Teil einer Substratoberfläche eines Metall-Vorformlings und Aufgießen mit einem zweiten Metall.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zu Bildung eines Zweimetall-Gussstücks vorgestellt. Das Verfahren beinhaltet die Bereitstellung eines Metall-Vorformlings mit einer gewünschten Form, der die Substratoberfläche definiert, und die Entfernung einer natürlichen Oxidschicht und von oberflächlichen Verunreinigungen, wodurch ein gereinigter Metall-Vorformling entsteht. Das Verfahren beinhaltet weiterhin das Verzinken des gereinigten Metall-Vorformlings, um einen verzinkten Metall-Vorformling zu erhalten, und dann mittels Galvanisierung eine dünne Nickelschicht auf mindestens einen Teil der Substratoberfläche des verzinkten Vorformlings aufzutragen. Des Weiteren beinhaltet das Verfahren die Herstellung einer metallurgischen Verbindung zwischen dem Teil des Metall-Vorformlings mit der Nickelschicht und einem Aufgießmetall zur Bildung eines Zweimetall-Gussstücks, worin die Nickelschicht die Bildung einer metallurgischen Bindung zwischen dem Metall-Vorformling und dem Aufgießmetall fördert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung eines Zweimetall-Gussstücks mit verbesserter Bindung zwischen den Metallkomponenten vorgestellt. Das Verfahren beinhaltet die Bereitstellung eines Aluminium-Vorformlings von gewünschter Grundform, der eine Substratoberfläche definiert. Des Weiteren beinhaltet das Verfahren das Entfernen einer natürlichen Oxidschicht von der Substratoberfläche, das Ätzen der Substratoberfläche und das Verzinken der Substratoberfläche. Zusätzlich dazu beinhaltet das Verfahren das Galvanisieren der Substratoberfläche mit einer dünnen Nickelschicht. Des Weiteren beinhaltet das Verfahren das Vorwärmen des Aluminium-Vorformlings auf 150 °C bis 350 °C, gefolgt von der Bildung einer metallurgischen Bindung zwischen mindestens einem Teil des Aluminium-Vorformlings und eines Aufgießmetalls mit einer Zusammensetzung, die sich von derjenigen des Aluminium-Vorformlings und der Nickelschicht unterscheidet. Die Nickelschicht fördert die metallurgische Bindung zwischen dem Aluminium-Vorformling und dem Aufgießmetall.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung eines Zweimetall-Gussstücks mit einem Aluminium-Vorformling vorgestellt. Das Verfahren beinhaltet das Entfernen einer natürlichen Oxidschicht von einer Oberfläche eines Aluminium-Vorformlings. Zusätzlich dazu beinhaltet die Methode das Eintauchen des Aluminium-Vorformlings in ein Verzinkungsbad, gefolgt von dem Auftragen einer dünnen Nickelschicht mit einer Stärke von unter 5 µm auf die Oberfläche des Aluminium-Vorformlings mittels Galvanisieren. Des Weiteren beinhaltet das Verfahren das Vorwärmen des Aluminium-Vorformlings auf 150 °C bis 350 °C, gefolgt von dem Kontakt von zumindest einem Teil des Aluminium-Vorformlings mit geschmolzenem, auf zwischen 680 °C und 740 °C erhitztem Aluminium zur Bildung eines Zweimetall-Gussstücks. Die Nickelschicht bleibt im Wesentlichen auf der Oberfläche des Aluminium-Vorformlings als Grenzschicht, die eine metallurgische Bindung zwischen dem Aluminium-Vorformling und dem geschmolzenen Aluminium fördert.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier dargebotenen Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen ausschließlich zur Veranschaulichung und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung beschränken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann am besten verstanden werden, wenn sie zusammen mit den folgenden Zeichnungen gelesen wird:
1 ist ein Ablaufschema zur Darstellung eines Verfahrens zur Bildung eines Zweimetall-Gussstücks gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
2 ist ein Ablaufschema zur Darstellung eines Verfahrens zur Bildung eines Zweimetall-Gussstücks gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
3 ist eine Mikroaufnahme zur Darstellung der Grenzschicht zwischen vorgeformten Stäben aus Aluminiumlegierung 6101 und gegossener Aluminiumlegierung A356 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die Beispielausführungsformen werden im Folgenden mit Verweis auf die zugehörige Zeichnung genauer beschrieben.
Es werden exemplarische Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Fachleuten deren Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie z. B. Beispiele für spezifische Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein tiefgreifendes Verständnis für die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln. Fachleute werden erkennen, dass spezifische Details möglicherweise nicht erforderlich sind, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können, und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung beschränkt. In manchen exemplarischen Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Technologien nicht ausführlich beschrieben.
Die vorliegende Technologie verbessert Methoden zum Bilden eines Zweimetall-Gussstücks, indem man das Entfernen einer Oxidschicht von einem Metall-Vorformling und das Auftragen einer dünnen Nickelschicht auf denselben vor der Ausbildung einer metallurgischen Bindung zwischen den beiden Metallkomponenten, wie zwischen einem Metall-Vorformling und einem Aufgießmetall, betrachtet.
Mit Bezug auf die 1 und 2, die im Allgemeinen Schritte der verschiedenen Ausführungsformen der in der vorliegenden Technologie angewendeten Verfahren darstellen, wird in Schritt 102 ein Metall-Vorformling bereitgestellt, der die gewünschte Form, Größe und Konfiguration für seine vorgesehene Endnutzung aufweisen kann. Es ist vorgesehen, dass die vorliegende Technologie zur Herstellung von zahlreichen verschiedenen Arten von Zweimetall-Gießkomponenten zur Anwendung kommen kann, einschließlich nicht einschränkender Beispiele, wie Motoraufhängungen, Armaturenbrett-Querträger, mit Gieß- oder Bearbeitungstechniken gefertigte Elektromotoren, Zahnräder, Schnecken und Schneckengehäuse, Gehäuse, Schellen, Ösen und dergleichen. Der Metall-Vorformling kann eine Substratoberfläche definieren. Der hierin verwendete Begriff „Substratoberfläche“ stellt im Allgemeinen die äußerste Schicht oder Außenseite oder den exponierten Bereich des Metall-Vorformlings dar. Bestimmte Komponenten können komplexere Formen und Eigenschaften aufweisen als andere Komponenten. Dementsprechend variieren Größe und Form des Metall-Vorformlings, und damit die Substratoberfläche desselben. Obschon der Werkstoff des Metall-Vorformlings hier nicht auf bestimmte Metalle eingeschränkt werden soll, kann der Metall-Vorformling aus einem oder mehreren aus einer Gruppe ausgewählten Metallen bestehen, die (Al), Magnesium (Mg), Eisen (Fe), Kupfer (Cu) sowie Legierungen und Mischungen daraus beinhaltet. Es ist zu beachten, dass der Vorformling bestimmte geringe Mengen von Verunreinigungen enthalten kann, wie in der Technik bekannt ist, oder andere Metalle, zusätzlich zu den überwiegend vorhandenen Metallen oder Legierungen. Als Beispiel kann der Metall-Vorformling ein Gussstück, ein Schmiedeteil, ein Strangpressling, ein Stanzteil oder eine geflochtene Komponente sein. Er kann als feste Komponente ausgeführt sein, oder geformt mit Öffnungen oder Lücken, und unterschiedliche Stärken und Querschnittsbereiche aufweisen. Der Metall-Vorformling kann vor der weiteren Bearbeitung spangebend oder anderweitig wie gewünscht geformt sein.
Mit Bezug auf Schritt 104 kann das Verfahren eine Mustervorbereitung des Metall-Vorformlings beinhalten. Insbesondere kann der Metall-Vorformling mechanisch poliert werden. Der Metall-Vorformling kann beispielsweise mit Schleifkissen mit von 600 Grit, 1000 Grit, 5000 Grit oder anderen Körnungen poliert werden, um Oberflächenverunreinigungen und/oder Oberflächenfehler zu beseitigen.
Mit Bezug auf Schritt 106 kann das Verfahren die Reinigung und/oder Vorbehandlung des Metall-Vorformlings beinhalten, und insbesondere das Entfernen jeder natürlichen Oxidschicht, die sich auf der (den) Substratoberfläche(n) gebildet haben können, um einen gereinigten Metall-Vorformling zu erhalten, der eine im Wesentlichen oxidfreie Substratoberfläche aufweist. Der Begriff „im Wesentlichen frei“ wird hierin verwendet, um anzuzeigen, dass keine Oxide auf der Substratoberfläche vorhanden sein dürfen, und dass die Substratoberfläche entweder frei von Oxiden ist, dass eine erhebliche Oxidmenge entfernt wurde, und/oder dass Oxidreste nur in vernachlässigbaren Mengen auf der Substratoberfläche vorhanden sein können.
Es versteht sich, dass mit der vorliegenden Technologie verschiedene Reinigungs- und Entfettungsbehandlungen zur Anwendung kommen können, die ausgehend von dem Zustand und Metallgehalt sowie der Größe und Form des Metall-Vorformlings ausgewählt werden. In bestimmten Aspekten kann Schritt der Reinigung und Oxidentfernung 106 in Schritt 108 das Entfetten der Substratoberfläche beinhalten. Zahlreiche in der Technik bekannten Entfettungstechniken können zur Anwendung kommen. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann der Metall-Vorformling bei 65 °C mit einer Lösung von 25 g/L Natriumkarbonat und 30 g/L Trinatriumphosphat behandelt werden, für 5 Minuten oder eine Zeit, die zum effektiven Entfetten des Metall-Vorformlings ausreicht.
Nach dem Entfetten kann der Metall-Vorformling in Schritt 110 mit einem alkalischen Reinigungsmittel behandelt werden. Die Substratoberfläche kann beispielsweise mit einer alkalischen Erosionslösung mit 100 g/L NaOH-Gehalt behandelt werden. Die Behandlung kann bei Raumtemperatur von etwa 30 °C stattfinden, und die Lösung kann für eine kurze Zeit von etwa 5–10 Sekunden, 10–15 Sekunden, 15–20 Sekunden, 20–25 Sekunden oder mehr auf die Substratoberfläche einwirken, wie in der Technik bekannt ist und je nach der gewünschten Ätzstärke.
Der Metall-Vorformling kann in Schritt 112 auch einem Säure-Beizverfahren unterzogen werden, um weitere Verunreinigungen von der Substratoberfläche zu entfernen. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann die Beize eine saure Lösung mit einem Gehalt von 100 ml/L Schwefelsäure (98 Volumen-%) und 500 ml/L Salpetersäure (65 Volumen-%) enthalten.
Stärkere oder wässrigere Lösungen können ebenfalls zur Anwendung kommen, wenn gewünscht. Das Beizverfahren kann bei Raumtemperatur von etwa 30 °C stattfinden, für eine kurze Zeit von etwa 5–10 Sekunden, 10–15 Sekunden, 15–20 Sekunden, oder länger, wie in der Technik bekannt und je nach der gewünschten Behandlungsstärke.
Mit Bezug auf Schritt 114 kann eine erste Tauchverzinkungsbehandlung an dem Metall-Vorformling vorgenommen werden. In einem Beispiel kann ein erstes Verzinkungsbad mit einer gemischten Lösung mit einem Gehalt von etwa 50 g/L NaOH (Natriumhydroxid), 5 g/L ZnO (Zinkoxid), 50 g/L Na₂C₄H₄O₆ (Natriumtartrat), 2 g/L FeCl₃ (Eisen-3-Chlorid) und 1 g/L NaNO₃ (Natriumnitrat) zubereitet werden. Der Metall-Vorformling kann einem ersten Eintauchen im ersten Verzinkungsbad unterzogen werden, für etwa 40 Sekunden, für etwa 50 Sekunden, für etwa 1 Minute, oder länger, wie in der Technik bekannt und je nach der gewünschten Behandlungsstärke, bei Raumtemperatur um die 30 °C. Es versteht sich, dass auch andere Verzinkungsverfahren angewendet werden können, und dass die Parameter für die spezifischen Metalle des Zweimetall-Gießverfahrens geändert werden können.
Mit Bezug auf Schritt 116 kann eine Nickel-Nachbehandlung an dem Metall-Vorformling ausgeführt werden. In einem Beispiel kommt Salpetersäure (65 Volumen-%) zur Anwendung. Die Salpetersäure kann auf den Metall-Vorformling bei Raumtemperatur um die 30 °C für etwa 40 Sekunden, für etwa 50 Sekunden, für etwa 1 Minute, für etwa 1 Minute und 10 Sekunden oder länger einwirken, wie in der Technik bekannt und je nach der gewünschten Behandlungsstärke. Um eine vollständige Deckung des Metall-Vorformlings mit einer Zinkschicht ab dem Schritt 114 zu erzielen, kommt eine längere Verzinkungsdauer zur Anwendung. Bei längerer Verzinkungsdauer kann die Zinkschicht eine gewisse Rauheit mit leichten Stärkeschwankungen oder Porosität aufweisen. Zusätzlich dazu kann die Körnung der Zinkschicht bei längerer Verzinkungsdauer durch Kornwachstum gröber werden. Der Nickel-Nachbehandlungsschritt 116 entfernt die raue und lose gebundene Zinkschicht, so dass eine äußerst dünne, kaum wahrnehmbare Zinkschicht vom ersten Verzinkungsschritt 114 übrig bleibt. Auf einer dünnen Zinkgrundierungsschicht ist die Zinkschicht aus einem zweiten Verzinkungsschritt 118 (im Folgenden erörtert), deren Verzinkungsdauer kürzer ist, gleichförmiger und dichter, im Vergleich zum ersten Verzinkungsschritt 114. Demzufolge hilft der Nickel-Nachbehandlungsschritt 116 bei der Verbesserung der Qualität der Zinkschicht des zweiten Verzinkungsschritts 118. Nach zwei Verzinkungsschritten weist die Zinkschicht eine wesentlich höhere Gleichförmigkeit auf.
Mit Bezug auf Schritt 118, kann eine zweite Tauchverzinkungsbehandlung an dem Metall-Vorformling vorgenommen werden. In einem Beispiel kann ein zweites Verzinkungsbad mit einer gemischten Lösung mit einem Gehalt von etwa 120 g/L NaOH (Natriumhydroxid), 20 g/L ZnO (Zinkoxid), 50 g/L Na₂C₄H₄O₆ (Natriumtartrat), 2 g/L FeCl₃ (Eisen-3-Chlorid) und 2 g/L NaNO₃ (Natriumnitrat) zubereitet werden. Der Metall-Vorformling kann einem zweiten Eintauchen im zweiten Verzinkungsbad unterzogen werden, für etwa 10 Sekunden, für etwa 15 Sekunden, für etwa 20 Sekunden, für etwa 25 Sekunden, oder länger, wie in der Technik bekannt und je nach der gewünschten Behandlungsstärke, bei Raumtemperatur um die 30 °C. Es versteht sich, dass auch andere Verzinkungsverfahren angewendet werden können, und dass die Parameter für die spezifischen Metalle des Zweimetall-Gießverfahrens geändert werden können.
Es ist zu beachten, dass anstatt des ersten Verzinkungsschritts 114 und des zweiten Verzinkungsschritts 118 ein einzelner Verzinkungsschritt durchgeführt werden kann. Die mit dem ersten Verzinkungsschritt 114 und dem zweiten Verzinkungsschritt 118 gebildete Zinkschicht ist jedoch gleichförmiger und dichter. Für eine gleichförmige Nickel-Galvanisierung ist mindestens ein Verzinkungsschritt erforderlich. Ohne mindestens einen Verzinkungsschritt wird die nachfolgende Galvanisierung mit Nickel nicht gleichförmig, und in manchen Bereichen kann die Bildung der Nickelschicht ganz ausbleiben.
Mit Bezug auf Schritt 120 geht das Verfahren mit der Bildung einer dünnen Nickelschicht zumindest auf einem Teil der Substratoberfläche des Metall-Vorformlings weiter, bevorzugt auf einem sauberen Teil des Metall-Vorformlings. In vielen Fällen kann die dünne Nickelschicht auf der gesamten Substratoberfläche gebildet werden. Es ist vorgesehen, dass die Nickelschicht zahlreiche Vorteile für das Zweimetall-Gießverfahren gewähren kann. In einem Aspekt wird die Nickelschicht auf dem Metall-Vorformling mit einer Stärke aufgetragen, die ausreicht, um die Bildung oder die erneute Bildung einer natürlichen Oxidschicht auf der Substratoberfläche vor den nachfolgenden Gieß- und Bindungsprozessen zu verhindern.
Ohne sich an eine bestimmte Theorie halten zu wollen, wird davon ausgegangen, dass die dünne Nickelschicht geeignet ist, die Haftnetzung zu verbessern und damit die metallurgische Bindung des Metall-Vorformlings mit dem Aufgießmetall zu fördern, die das Zweimetall-Gussstück bildet. Dennoch wird die Nickelschicht mit einer kontrollierten Stärke aufgetragen, sodass sie nicht genug Metall für die Grenzschichtbindung im Zweimetall-Gussstück enthält. Daher kann die dünne Nickelschicht in verschiedenen Aspekten im Wesentlichen als dünne Grenzschicht zur Förderung der metallurgischen Bindung an oder auf der Substratoberfläche des Metall-Vorformlings bleiben.
Die Nickelschicht kann auf der gesamten Substratoberfläche gebildet oder auf dieselbe aufgetragen werden, unter Nutzung bekannter Techniken, um den Überzug oder die Beschichtung mit einer Stärke von 10 μm zu bilden, bevorzugt weniger als etwa 5 μm, weniger als etwa 3 μm, und sogar etwa 1 μm in bestimmten Aspekten.
Als Beispiel kann die Nickelschicht durch Galvanisierung in einer Nickellösung bei Raumtemperatur um die 30 °C gebildet werden. Eine exemplarische Nickellösung besteht aus 120 g/L NiSO₄·6H₂O, 30g/L NiCl₂·6H₂O, 140g/L Na₃C6H₅O₇·2H₂O, 35g/L (NH4)2SO₄, 30g/L Natriumglukose, 1g/L Saccharin und 0,05g/L Natriumlaurylsulfat. Normalerweise hat die Nickellösung einen pH-Wert von ungefähr 7,0. Die Stromdichte für die Galvanisierung kann von etwa 0,5 bis etwa 5 A/dm² betragen, zum Beispiel etwa 2 A/dm². Der Galvanisierstrom kann für 1 Minute, 3 Minuten, 5 Minuten, 8 Minuten oder länger angelegt werden, wie in der Technik bekannt und ausgehend von der gewünschten Stärke der Nickelschicht. Es versteht sich, dass die Parameter wie gewünscht geändert werden können, um eine Nickelschicht mit der geeigneten kontrollierten Stärke zu bilden, die für das Zweimetall-Gussstück wünschenswert ist. Während des Galvanisierens wird die Nickellösung gerührt, um die Absorption von Wasserstoff durch die Polarisierung der Aluminiumoberfläche zu verhindern.
Nachdem der Metall-Vorformling gereinigt und der metallische Überzug aufgetragen ist, kann Verfahrensschritt 122 der 1 und 2 als Option zum Vorwärmen des Metall-Vorformling ausgeführt werden. Der optionale Vorwärmeschritt kann dazu dienen, den Temperaturunterschied zwischen dem Metall-Vorformling und dem geschmolzenen Aufgießmetall zu reduzieren, um Kontraktionsspannungen und/oder Schrumpfung im Gussstück zu reduzieren. Dieses Vorgehen kann auch das Potenzial zur Bildung von Bindungslinien auf der Gussstück-Grenzschicht minimieren. Wie bekannt ist, können die Temperatur und die Dauer des Vorwärmeschritts variieren, um eine ausreichende Erholungszeit zu gewähren. Der Metall-Vorformling kann beispielsweise auf zwischen 150 und 350 °C, zwischen 125 und 325 °C, zwischen 200 und 400 °C oder andere Bereiche in den offenbarten Grenzen aufgewärmt werden.
Mit Bezug auf Verfahrensschritt 124 wird eine metallurgische Bindung zwischen mindestens einem Teil des mit der Nickelschicht versehenen Metall-Vorformlings oder der Gesamtheit desselben und einem Aufgießmetall hergestellt, um eine Komponente aus einem Zweimetall-Gussstück zu formen. Wie weiter oben erörtert, kann die Nickelschicht zur Förderung der metallurgischen Bindung zwischen den beiden Metallen dienen und, in manchen Aspekten, im Wesentlichen auf der Substratoberfläche des Metall-Vorformlings als Grenzschicht zwischen den Metallen bleiben. In nicht einschränkenden Beispielen kann das Aufgießmetall alle Metalle, Legierungen oder Kombinationen derselben beinhalten, die zur Nutzung in Metallgießtechniken geeignet sind, wie Aluminiumlegierungen und Magnesiumlegierungen. In verschiedenen Aspekten kann die Auswahl des spezifischen Metalls oder der Legierung zum Aufgießen auf der Grundlage der endgültigen Form und Konfiguration oder der Endnutzung der Zweimetall-Gusskomponente erfolgen. Die Zusammensetzung des Aufgießmetalls kann sich von der des Metall-Vorformlings und der Nickelschicht unterscheiden. Wenn die Zweimetall-Gusskomponente eine komplizierte oder komplexe Endform aufweisen soll, kommt ein Metall oder eine Legierung mit einer hohen Fluidität zur Anwendung. Wenn die Zweimetall-Gusskomponente eine höhere Festigkeit aufweisen soll, wird ein Metall oder eine Legierung mit geeigneten Eigenschaften gewählt.
3 stellt eine Mikroaufnahme mit der Abbildung der Grenzschicht zwischen dem Metall-Vorformling und dem Aufgießmetall dar, aus denen das Zweimetall-Gussstück gebildet wird. Insbesondere werden ein vorgeformtes Aluminuimlegierungsprofil 6101 10 als Metall-Vorformling und Gussaluminiumlegierung A356 20 als Aufgießmetall gezeigt, die ein Zweimtall-Gussstück mit einwandfreier metallurgischer Bindung an der Grenzschicht bilden.
Die metallurgische Bindung kann durch den Kontakt des Metall-Vorformlings mit einer Metallschmelze in einem konventionellen, in der Technik bekannten Schmelzmetall-Gussverfahren hergestellt werden, beispielsweise mit einer Druckguss- oder Sandguss-Technik. In dieser Hinsicht kann der Metall-Vorformling vor dem Einbringen in eine geeignete Form vorgewärmt werden, oder die Form kann mit in der Technik bekannten Werkzeugheizplatten ausgerüstet sein. Geschmolzene Metalle, wie Aluminium, reagieren mit Luft und bilden spontan Oxide. Dementsprechend ist Sorgfalt beim Kontakt des Metall-Vorformlings mit dem geschmolzenen Material angebracht. Zusätzliche exemplarische Techniken für derartige zweimetallische Gießtechniken werden in dem in U.S. Patent No. 8,708,425 , erteilt am 29. April 2014 und abgetreten an GM Global Technology Operations, Inc. beschrieben, von dem die gesamte Patentschrift als Verweis hier beigefügt ist.
Die metallurgische Bindung kann auch unter Nutzung von Pressgießtechniken hergestellt werden. Dabei wird das Aufgießmetall über seinen Schmelzpunkt aufgeheizt, und das Aufgießmetall wird über den Metall-Vorformling gegossen. Unmittelbar danach wird der Guss unter Druck gesetzt, bis das Material erstarrt. Ein Aufgießmetall aus Aluminiumlegierung A356 kann beispielsweise auf 680 °C bis 720 °C erhitzt, über den Metall-Vorformling gegossen und mit einem Druck von 10 MPa bis 80 MPa gepresst werden, bis der Guss erstarrt. Die derzeit hängige, in Miteigentum stehende US-Patentanmeldung United States Patent Application Serial Number 14/739,042, eingereicht am 15. Juni 2015 mit dem Titel „Method of making aluminum or magnesium based composite engine blocks or other parts with in-situ formed reinforced phases through squeeze casting or semi-solid metal forming and post heat treatment“ hat Pressgießtechniken zum Gegenstand und ist als Verweis hierin vollständig beigefügt.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht erschöpfend und soll die Offenbarung in keiner Weise beschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt sondern gegebenenfalls gegeneinander austauschbar und in einer ausgewählten Ausführungsform verwendbar, auch wenn dies nicht gesondert dargestellt oder beschrieben ist. Auch diverse Variationen sind denkbar. Solche Variationen stellen keine Abweichung von der Offenbarung dar, und alle Modifikationen dieser Art verstehen sich als Teil der Offenbarung und fallen in ihren Schutzumfang.
Die hier verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Wie hierin verwendet, schließen die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ gegebenenfalls auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „beinhalten“ und „haben“ sind einschließend und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, ganzen Zahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Komponenten an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen hiervon aus. Die hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern dies nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können.
Wenn ein Element oder eine Schicht als „an/auf“, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, kann es/sie sich entweder direkt an/auf dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden, damit in Eingriff stehen, damit verbunden oder damit gekoppelt sein oder es können dazwischen liegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn, im Gegensatz dazu, ein Element als „direkt an/auf“, „direkt im Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, können keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. „zwischen“ und „direkt zwischen“, „angrenzend“ und „direkt angrenzend“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen aus einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
Obwohl die Ausdrücke erste, zweite, dritte usw. hierin verwendet werden können, um verschiedene Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollen diese Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Ausdrücke beschränkt werden. Diese Begriffe können nur verwendet werden, um ein Element, eine Komponente, Region, Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Bereich, Schicht oder Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe, wie „erste“, „zweite“ und andere Zahlenbegriffe, wenn hierin verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, durch den Kontext eindeutig angegeben. Somit könnte ein weiter unten diskutiertes erstes Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt als ein zweites Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von der Lehre der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.
Raumbezogene Begriffe, wie „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hierin zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Ausrüstung zu anderen Element(en) oder Eigenschaft(en), wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Raumbezogene Begriffe können dazu bestimmt sein, verschiedene Anordnungen der in Anwendung oder in Betrieb befindlichen Einrichtung zu umschreiben, zusätzlich zu der auf den Figuren dargestellten Ausrichtung. Wenn der Gegenstand in den Figuren beispielsweise umgedreht ist, sind als „unter“ oder „unterhalb“ von anderen Elementen oder Ausrüstungen beschriebene Elemente dran „über“ den anderen Elementen oder Ausrüstungen angeordnet. Daher kann der Beispielbegriff „unter“ beide Anordnungen umfassen, unter und über. Der Gegenstand kann anderweitig ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Ausrichtung), und die raumbezogenen beschreibenden Begriffe dementsprechend ausgelegt werden dementsprechend ausgelegt.
Es wird angemerkt, dass Begriffe, wie „bevorzugt“, „im Allgemeinen”, „normalerweise“ oder „typischerweise“, hier nicht verwendet werden, um den Umfang der beanspruchten Erfindung zu beschränken oder zu implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, wesentlich oder auch nur wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Stattdessen werden diese Begriffe verwendet, um lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale hervorzuheben, die in einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können aber nicht müssen.
Zum Zweck der Beschreibung und der Definition der vorliegenden Erfindung, sei darauf hingewiesen, dass die Bezeichnungen „im Wesentlichen“ und „ungefähr“ und ihre Varianten hierin verwendet werden, um den entsprechenden Grad von Ungewissheit darzustellen, der jedem quantitativen Vergleich, Wert, Maß oder anderer Darstellung zugeschrieben werden kann. Der Begriff „im Wesentlichen“ wird hier auch verwendet, um den Grad darzustellen, mit dem eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne die grundlegende Funktion der behandelten Materie zu ändern.
Nachdem die Erfindung detailliert und mit Bezug zu spezifischen Ausführungen beschrieben wurde, wird es dennoch offensichtlich sein, dass Modifikationen und Variationen möglich sind, ohne den erfindungsgemäßen Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise auf angegebene bevorzugte Aspekte und beispielhafte Ausführungsformen beschränkt ist, sondern durch die angefügten Ansprüche geregelt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8708425 [0038]

Claims

Verfahren zum Formen eines Zweimetall-Gussstücks, das Verfahren umfassend: Bereitstellen eines Metall-Vorformlings in einer gewünschten Grundform, der eine Substratoberfläche definiert; Entfernen einer Oxidschicht und von Oberflächenverunreinigungen von der Substratoberfläche zum Herstellen eines gereinigten Metall-Vorformlings; Verzinken des gereinigten Metall-Vorformlings zum Herstellen eines verzinkten Metall-Vorformlings; Galvanisieren einer dünnen Nickelschicht auf mindestens einen Teil der Substratoberfläche des verzinkten Metall-Vorformlings; und metallurgisches Binden des Teils des Metall-Vorformlings mit der Nickelschicht mit einem Aufgießmetall zur Bildung eines Zweimetall-Gussstücks, worin die Nickelschicht die metallurgische Bindung zwischen dem Metall-Vorformling und dem Aufgießmetall fördert.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend das Vorwärmen des Metall-Vorformlings mit der Nickelschicht vor dem metallurgischen Binden des Metall-Vorformlings mit dem Aufgießmetall.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend das Auftragen einer Nickelschicht mit einer ausreichenden Stärke, um die Neubildung einer Oxidschicht zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 3, worin die Nickelschicht mit einer Stärke von etwa 1 μm bis etwa 5 μm aus, und worin die Nickelschicht auf der gesamten Substratoberfläche aufgetragen wird, und das Aufgießmetall metallurgisch mit dem gesamten Metall-Vorformling gebunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Entfernen der Oxidschicht von der Substratoberfläche umfasst: Entfetten der Substratoberfläche; Behandeln der Substratoberfläche mit einer alkalischen Ätzlösung; und Beizen der Substratoberfläche.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Verzinken des gereinigten Metall-Vorformlings umfasst: Behandeln der Substratoberfläche mit einer Zink-Galvanisierlösung; Behandeln der Substratoberfläche mit Salpetersäure; und Behandeln der Substratoberfläche ein zweites Mal mit einer Zink-Galvanisierlösung.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das metallurgische Binden des Teils des Metall-Vorformlings, der die Nickelschicht enthält, mit dem Aufgießmetall ein Metallgießverfahren unter Nutzung von geschmolzenem Metall beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 7, worin das Aufgießmetall eine Aluminiumlegierung ist, die auf 680 °C bis 740 °C erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, worin das Metallgießverfahren ein Pressgießverfahren umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Metall-Vorformling eine Aluminiumlegierung umfasst.