DE102021116044A1

DE102021116044A1 - Verfahren zum Herstellen eines Druckgussbauteils

Info

Publication number: DE102021116044A1
Application number: DE102021116044.8A
Authority: DE
Inventors: Marc Hummel; Marius Kohlhepp
Original assignee: Audi AG; Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Current assignee: Audi AG; Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority date: 2021-06-22
Filing date: 2021-06-22
Publication date: 2022-12-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Druckgussbauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bei welchem eine Leichtmetalllegierung in eine Kavität einer Gussform (10) eingebracht wird, welche durch wenigstens zwei Gussformteile (12, 14) der Gussform (10) gebildet wird. Nach einem Erstarren der Leichtmetalllegierung in der Kavität wird das aus der Leichtmetalllegierung gebildete Druckgussbauteil aus der Gussform (10) entnommen. Vor dem Einbringen der Leichtmetalllegierung in die Kavität wird eine Versiegelungslegierung (22) in die Kavität eingebracht, welche in einem stärkeren Ausmaß als die Leichtmetalllegierung mit den die Kavität bildenden Gussformteilen (12, 14) intermetallische Phasen bildet. Nach einem Erstarren der Versiegelungslegierung (22) in der Kavität wird ein aus der Versiegelungslegierung (22) gebildetes Hilfsbauteil aus der Gussform (10) entnommen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Druckgussbauteils, bei welchem eine Leichtmetalllegierung in eine Kavität einer Gussform eingebracht wird. Die Kavität wird durch wenigstens zwei Gussformteile der Gussform gebildet. Nach einem Erstarren der Leichtmetalllegierung in der Kavität wird das aus der Leichtmetalllegierung gebildete Druckgussbauteil aus der Gussform entnommen.
Bei der Herstellung von Druckgussbauteilen, wie sie etwa im Kraftfahrzeugbau Verwendung finden, werden üblicherweise organische oder anorganische Trennmittel eingesetzt, etwa Wachse, Polysiloxane oder Öle. Hierbei wird in jedem Gießtakt beispielsweise ein Gemisch aus Wasser und dem Trennmittel auf die Gussformteile der Druckgussform appliziert, insbesondere in einem Sprühprozess. Dies soll ein Ankleben der flüssigen Leichtmetalllegierung an den Gussformteilen der Gussform vermeiden beziehungsweise dieses sogenannte Formkleben zumindest reduzieren.
Insbesondere bei Leichtmetalllegierungen in Form von Aluminiumlegierungen werden derartige Trennmittel eingesetzt, weil die flüssige Aluminiumlegierung mit dem üblicherweise aus Stahl gebildeten Material der Gussform eine chemische Reaktion eingeht und so beim Abkühlen eine feste Verbindung der Aluminiumlegierung mit der Gussform erzeugt wird.
Die Stärke dieser Reaktion und somit auch des Formklebens ist maßgeblich von der Eisenkonzentration in der Leichtmetalllegierung abhängig, wobei das Formkleben mit sinkendem Eisengehalt der Leichtmetalllegierung zunimmt. Hohe Eisengehalte sind jedoch in Legierungen für Leichtmetall-Druckgussbauteile unerwünscht, da sie die mechanischen Eigenschaften des Druckgussbauteils verschlechtern, insbesondere die Duktilität des Druckgussbauteils.
Im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften eine hohe Leistungsfähigkeit aufweisende Leichtmetalllegierungen mit einem entsprechend geringen Eisengehalt lassen sich jedoch selbst bei einer Verwendung von Trennmitteln nur schwierig verarbeiten, und zwar aufgrund des starken Formklebens. Teilweise versucht man dem zu begegnen, indem die Gussformteile der Gussform mittels Verfahren wie etwa dem Nitrieren behandelt werden. Derartige, das Formkleben verringernde Verfahren wie ein solches Erzeugen von Nitriden des Materials der Gussformteile, also von Stickstoffverbindungen der in dem Material der Gussformteile enthaltenen Metalle, ist jedoch mit immensen Kosten verbunden und daher nachteilig.
Wenn also zum Verringern des Formklebens beispielsweise der Eisengehalt der Leichtmetalllegierung erhöht wird, so ist dies nachteilig im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften der Leichtmetalllegierung. Und die Behandlung der Gussformteile durch Nitrieren zum Verringern des Formklebens ist im Hinblick auf den damit verbundenen Aufwand und die Kosten ungünstig.
Jedoch auch der Einsatz von Trennmitteln und der meist damit verbundene Sprühprozess zum Applizieren des Trennmittels auf die Gussformteile der Gussform bringt Nachteile mit sich. Zum einen führt das Auftragen des Trennmittels auf die Gussformteile zu einer Erhöhung der Taktzeiten. Insbesondere kann das Applizieren des Trennmittels etwa 25 Prozent zu der Gesamttaktzeit beitragen, also zu dem gesamten Zeitaufwand für die Herstellung eines jeweiligen Druckgussbauteils.
Zudem ist die Verwendung von Trennmitteln mit Kosten verbunden, und zwar zum einen für das Medium in Form des Trennmittels selber, und zum anderen für das Applizieren des Trennmittels, insbesondere die Sprühapplikation. Darüber hinaus kann es bei der Verwendung von Trennmitteln zu einem Qualitätsverlust aufgrund von in das Druckgussbauteil eingewirbelten Trennmittelrückständen kommen.
Die DE 10 2019 109 453 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Druckgussbauteilen, bei welchem nach einem ersten Gießzyklus, in welchem eine Vielzahl von Druckgussbauteilen hergestellt wird, eine Gussform geschlossen wird. Dann wird eine Kavität der Gussform durch Aufbringen eines Unterdrucks evakuiert, um Verunreinigungen wie Trennmittel oder eine vorhandene Restfeuchte aus der Kavität zu entfernen.
Auch bei einem derartigen Verfahren lässt sich jedoch das Formkleben nicht verhindern.
Ein Formtrennmittel für die Druckgießtechnik ist des Weiteren in der DE 2 117 068 A1 beschrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei welchem auf besonders wirkungsvolle Art und Weise das Formkleben beim Herstellen des Druckgussbauteils verringert wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Druckgussbauteils, bei welchem es sich insbesondere um ein Druckgussbauteil für ein Kraftfahrzeug handeln kann, wird eine Leichtmetalllegierung in eine Kavität einer Gussform eingebracht. Die Kavität wird durch wenigstens zwei Gussformteile der Gussform gebildet. Nach einem Erstarren der Leichtmetalllegierung in der Kavität wird das aus der Leichtmetalllegierung gebildete Druckgussbauteil aus der Gussform entnommen. Vor dem Einbringen der Leichtmetalllegierung in die Kavität wird eine Versiegelungslegierung in die Kavität eingebracht. Die Versiegelungslegierung bildet in einem stärkeren Ausmaß als die Leichtmetalllegierung mit den die Kavität bildenden Gussformteilen intermetallische Phasen. Nach einem Erstarren der Versiegelungslegierung in der Kavität wird ein aus der Versiegelungslegierung gebildetes Hilfsbauteil aus der Gussform entnommen.
Das Ausbilden oder Herstellen des Hilfsbauteils aus der Versiegelungslegierung dient dazu, die der Kavität zugewandte Oberfläche der Gussformteile zu versiegeln, indem mittels der Versiegelungslegierung die intermetallischen Phasen gebildet werden. Diese Behandlung der Gussformteile führt dann dazu, dass in dem nachfolgenden wenigstens einen Gießtakt, in welchem aus der Leichtmetalllegierung das Druckgussbauteil hergestellt wird, die Leichtmetalllegierung in deutlich geringerem Ausmaß (und in vorteilhafter Weise so gut wie gar nicht mehr) an den Gussformteilen haftet, als dies ohne das vorangehende Einbringen der Versiegelungslegierung in die Kavität der Fall wäre.
Durch das Einbringen der Versiegelungslegierung in die Kavität vor dem Einbringen der Leichtmetalllegierung wird daher auf besonders wirkungsvolle Art und Weise das Formkleben beim nachfolgenden Herstellen des wenigstens einen Druckgussbauteils verringert.
In vorteilhafter Weise kann aufgrund eines intermittierenden Einbringens der Versiegelungslegierung in die Kavität auf einen Einsatz von Trennmitteln beim Herstellen des Druckgussbauteils verzichtet werden. Dies gilt insbesondere, wenn die zum Herstellen des Druckgussbauteils verwendete Leichtmetalllegierung ohnehin eine vergleichsweise geringe Anfälligkeit für das Formkleben aufweist.
Der Verzicht auf den Einsatz von Trennmitteln bringt eine sehr starke Zeitersparnis beziehungsweise eine sehr starke Verringerung der zum Herstellen des Druckgussbauteils vorzusehenden Taktzeit mit sich. Denn wenn auf das Applizieren des Trennmittels vor dem Einbringen der Leichtmetalllegierung in die Kavität verzichtet wird, ist die insgesamt zum Herstellen des Druckgussbauteils benötigte Zeitspanne besonders gering.
Damit verbunden sind ein besonders hoher Output beziehungsweise Ausstoß an Druckgussbauteilen innerhalb einer bestimmten Zeitspanne und entsprechend verringerte Kosten. Des Weiteren werden Kosten eingespart, weil das Hilfsmedium in Form des Trennmittels wegfällt. Schließlich führt der Verzicht auf den Einsatz von Trennmitteln zu einer gesteigerten Qualität der Druckgussbauteile.
Außerdem kann auf eine kostspielige Vorbehandlung der Gussformteile der Gussform wie etwa das Nitrieren zum Verhindern des Formklebens verzichtet werden.
Die intermetallischen Phasen bilden sich in der Gussform dort aus, wo während der Herstellung des Hilfsbauteils die Versiegelungslegierung an die Gussformteile angrenzt. Indem die Versiegelungslegierung in einem besonders starken Ausmaß oder Umfang mit den Gussformteilen die intermetallischen Phasen bildet, ist durch die intermetallischen Phasen in dem nachfolgenden Verfahrensschritt, in welchem aus der Leichtmetalllegierung das Druckgussbauteil hergestellt wird, eine Diffusionsblockade bereitgestellt. Diese Diffusionsblockade verhindert besonders weitgehend das Formkleben des aus der Leichtmetalllegierung gebildeten Druckgussbauteils, also das Anhaften der in der Kavität vorhandenen Leichtmetalllegierung an den Gussformteilen der Gussform.
Die intermetallischen Phasen werden gebildet, indem Bestandteile der Versiegelungslegierung einerseits und andererseits Bestandteile des Materials, aus welchem die Gussformteile gebildet sind, mit dem jeweiligen Reaktionspartner in Form der Versiegelungslegierung und dem Material der Gussformteile eine chemische Reaktion eingehen. Bei den intermetallischen Phasen handelt es sich insbesondere um Metallverbindungen mit Gitterstrukturen, welche sich von der jeweiligen Gitterstruktur der Einzelmetalle unterscheiden, die in der jeweiligen intermetallischen Phase enthalten sind.
Insbesondere weisen die durch die Reaktion der Versiegelungslegierung mit den Gussformteilen gebildeten intermetallischen Phasen eine größere Dicke und Kompaktheit auf als dies bei der Ausbildung von intermetallischen Phasen zwischen der Leichtmetalllegierung und den Gussformteilen der Fall ist. Dies führt dazu, dass bei dem nachfolgenden Herstellen des Druckgussbauteils aus der Leichtmetalllegierung die mit der Ausbildung von intermetallischen Phasen einhergehende Diffusion verlangsamt ist und somit auch die Geschwindigkeit der chemischen Reaktion. Folglich kommt es zu einer schwächeren Verbindung zwischen der Leichtmetalllegierung zur Herstellung des Druckgussbauteils und dem Material der Gussformteile. Das Formkleben der Leichtmetalllegierung beziehungsweise des Druckgussbauteils ist folglich besonders weitgehend reduziert. Mit anderen Worten nimmt also das Formkleben ab.
In vorteilhafter Weise ermöglicht das Verfahren insbesondere die Herstellung von Druckgussbauteilen aus sehr leistungsfähigen Leichtmetalllegierungen, welche ohne das Verwenden der Versiegelungslegierung aufgrund des starken Formklebens nicht hergestellt werden könnten.
Insbesondere kann nämlich bei der Herstellung des Druckgussbauteils auf eine Beigabe von Bestandteilen besonders weitgehend verzichtet werden, welche das Entformen des Druckgussbauteils, also das Entnehmen des Druckgussbauteils aus der Gussform, erleichtern, weil sie zu einem Verringern des Formklebens führen. Derartige Bestandteile erhöhen üblicherweise die Sprödigkeit des hergestellten Druckgussbauteils. Da ein Beigeben solcher Bestandteilen zum Verhindern oder Reduzieren des Formklebens vorliegend nicht oder zumindest kaum erforderlich ist, können insbesondere Druckgussbauteile mit einem sehr geringen Anteil an spröden Phasen hergestellt werden. Derartige Druckgussbauteile weisen in vorteilhafter Weise eine sehr hohe Duktilität bei zugleich hoher Festigkeit auf.
Vorzugsweise wird beim Ausbilden des Hilfsbauteils durch die intermetallischen Phasen an einer die Kavität begrenzenden Oberfläche der Gussformteile eine Versiegelungsschicht gebildet. Die Versiegelungsschicht führt bei einem nachfolgenden Herstellen des Druckgussbauteils zu einem geringeren Anhaften des erstarrten Druckgussbauteils an den Gussformteilen als dies ohne das Ausbilden des Hilfsbauteils der Fall wäre. Durch das Bereitstellen der Versiegelungsschicht wird eine besonders wirksame, flächige Diffusionsblockade bereitgestellt, welche das Anhaften des wenigstens einen nachfolgend hergestellten Druckgussbauteils an den die Versiegelungsschicht aufweisenden Gussformteilen besonders weitgehend verhindert.
Die gilt insbesondere, weil die beim Ausbilden des Hilfsbauteils gebildete Versiegelungsschicht besonders kompakt ist und zudem eine besonders gleichmäßige Schichtdicke aufweist.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn beim Ausbilden des Hilfsbauteils an der Versiegelungsschicht eine Schichtoberfläche ausgebildet wird, welche glatter ist als eine Grenzschicht, welche infolge einer Reaktion der Leichtmetalllegierung mit der die Kavität begrenzenden Oberfläche der Gussformteile ohne ein Vorhandensein der Versiegelungsschicht gebildet würde. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass dann, wenn die Leichtmetalllegierung mit den nicht versiegelten Oberflächen der Gussformteile reagiert, eine Grenzschicht ausgebildet wird, welche eine Vielzahl von nadeligen Fortsätzen aufweist. Eine derartige nadelige Form der Grenzschicht führt zu einem stärkeren Anhaften des Druckgussbauteils an dieser Grenzschicht als dies für ein Anhaften des Druckgussbauteils an der Versiegelungsschicht der Fall ist. Denn die Schichtoberfläche der Versiegelungsschicht ist besonders glatt beziehungsweise sehr weitgehend frei von Unebenheiten wie nadeligen Fortsätzen oder dergleichen. Auch dies ist im Hinblick auf das Verringern des Formklebens beim Herstellen des Druckgussbauteils vorteilhaft.
Vorzugsweise werden infolge des Einbringens der Versiegelungslegierung in die Kavität intermetallische Phasen der Zusammensetzung Al(Fe,X)Si gebildet. Hierbei handelt es sich bei dem Bestandteil X um ein Element, welches in die intermetallische Phase der Zusammensetzung Al(Fe,X)Si eingebaut werden kann. Intermetallische Phasen mit dieser Zusammensetzung haben sich als besonders wirksam im Hinblick auf das Verringern des Formklebens beim nachfolgenden Herstellen des wenigstens einen Druckgussbauteils erwiesen.
Vorzugsweise wird als die Versiegelungslegierung eine Legierung verwendet, welche einen größeren Massenanteil des in den intermetallischen Phasen der Zusammensetzung Al(Fe,X)Si enthaltenen Bestandteils X aufweist als die Leichtmetalllegierung. Auf diese Weise wird dafür gesorgt, dass der wenigstens eine Bestandteil X in einer Konzentration vorhanden ist, welche mit einem sehr weit gehenden Einbau in die intermetallische Phase der Zusammensetzung Al(Fe,X)Si einhergeht. Dann dient die intermetallische Phase in besonders wirkungsvoller Art und Weise als Diffusionsblockade für die nachfolgende Herstellung des wenigstens einen Druckgussbauteils.
Vorzugsweise wird als die Versiegelungslegierung eine Legierung verwendet, in welcher der Massenanteil des Bestandteils X in etwa so groß ist wie in einem Material, aus welchem die Gussformteile gebildet sind. Bei einer derartigen Zusammensetzung der Versiegelungslegierung kann es sowohl von der Seite der Gussformteile her als auch von der Seite der Versiegelungslegierung her zu einem Hineinwandern des Bestandteils X in die intermetallische Phase kommen, so dass sich die intermetallische Phase der Zusammensetzung Al(Fe,X)Si sehr ungehindert und rasch ausbilden kann.
Diese Vorteile sind auch dann gegeben, wenn der Massenanteil des Bestandteils X größer ist als der Massenanteil des Bestandteils X in dem Material, aus welchem die Gussformteile gebildet sind. Jedoch sollte der Massenanteil des Bestandteils X nicht zu hoch sein, um die Verarbeitbarkeit der Versiegelungslegierung nicht zu erschweren.
Vorzugsweise wird als die Versiegelungslegierung eine Legierung verwendet, in welcher der Massenanteil des Bestandteils X geringer ist als ein Massenanteil des Bestandteils X, bei welchem eine beim Einbringen der Versiegelungslegierung in die Kavität vorhandene Fließfähigkeit der Versiegelungslegierung einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Versiegelungslegierung trotz eines vergleichsweise hohen Massenanteils des Bestandteils X noch ausreichend flüssig ist, um ungehindert in die Kavität eingebracht zu werden.
Insbesondere kann auf diese Weise sichergestellt werden, dass beim Einbringen der Versiegelungslegierung in die Kavität Prozessparameter beibehalten werden können, welche beim Einbringen der Leichtmetalllegierung in die Kavität vorliegen. Dann braucht nicht die Versiegelungslegierung stärker erhitzt zu werden als die Leichtmetalllegierung, um trotz des hohen Massenanteils des Bestandteils X noch eine ausreichende Fließfähigkeit der Versiegelungslegierung sicherzustellen.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass sowohl beim Einbringen der Versiegelungslegierung in die Kavität als auch beim Einbringen der Leichtmetalllegierung in die Kavität die jeweilige Legierung eine Temperatur aus einem Temperaturbereich von beispielsweise 650° C bis 800° C aufweist, um eine ausreichende Fließfähigkeit sowohl der Leichtmetalllegierung als auch der Versiegelungslegierung beim jeweiligen Einbringen der Legierung in die Kavität sicherzustellen.
Vorzugsweise wird als die Versiegelungslegierung eine Legierung verwendet, bei welcher der Bestandteil X wenigstens ein Metall aus der Gruppe Chrom, Mangan, Molybdän, Kobalt und Vanadium umfasst. Insbesondere das Bereitstellen wenigstens eines derartigen Metalls in der Versiegelungslegierung hat sich als besonders vorteilhaft im Hinblick auf das Verringern des Formklebens beim anschließenden Herstellen des Druckgussbauteils gezeigt.
Dies gilt insbesondere, wenn es sich bei dem Bestandteil X um Chrom handelt. Denn auch ein zum Bereitstellen der Gussformteile verwendetes Material, insbesondere Stahlmaterial, kann neben Eisen Chrom enthalten, so dass sich das Chrom besonders gut in die intermetallischen Phasen an der Stelle des Bestandteils X einbauen kann.
Vorzugsweise werden nach einem einmaligen Ausbilden des Hilfsbauteils nacheinander eine Mehrzahl von Druckgussbauteilen in der Gussform hergestellt. So macht man sich in vorteilhafter Weise den Umstand zunutze, dass die durch die Reaktion der Versiegelungslegierung mit den Gussformteilen gebildeten intermetallischen Phasen für eine Mehrzahl nachfolgender Herstellungstakte eines jeweiligen Druckgussbauteils das Formkleben in vorteilhafter Weise verringert. Dadurch kann dieses anschließende Herstellen von Druckgussbauteilen in jeweiligen Gießtakten besonders rasch und mit einem besonders geringen jeweiligen Formkleben vorgenommen werden. Dies ist im Hinblick auf einen großen Ausstoß an Druckgussbauteilen innerhalb einer bestimmten Zeitspanne vorteilhaft.
Vorzugsweise wird das Hilfsbauteil nach dem Entnehmen aus der Gussform geschmolzen. Eine hierbei gebildete Schmelze wird zum Bereitstellen der Versiegelungslegierung für ein Ausbilden eines weiteren Hilfsbauteils verwendet. Auf diese Weise kann die Versiegelungslegierung in einem Kreislauf nahezu vollständig rückgeführt und wiederverwendet werden. Dies macht das Verfahren besonders aufwandsarm. Denn der Materialeinsatz zum Bereitstellen der Versiegelungslegierung kann so vergleichsweise gering gehalten werden.
Vorzugsweise wird als die Leichtmetalllegierung eine Aluminium enthaltende Legierung verwendet. Insbesondere bei Aluminium enthaltenden Leichtmetalllegierungen tritt nämlich normalerweise das Formkleben in erhöhtem Ausmaß auf, welches jedoch vorliegend aufgrund der Verwendung der Versiegelungslegierung sehr weitgehend vermieden wird.
Insbesondere kann die als die Leichtmetalllegierung verwendete Legierung Aluminium und Silizium enthalten. Eine derartige Legierung ist im Hinblick auf die mechanischen Kennwerte, insbesondere die Duktilität, des aus der Leichtmetalllegierung gebildeten Druckgussbauteils, besonders vorteilhaft.
Vorzugsweise wird die Kavität durch einen Stahl aufweisende Gussformteile gebildet. Insbesondere Stahl hat sich nämlich zum Bereitstellen der Gussformteile als vorteilhaft erwiesen. Denn bei der Verwendung von Stahl zum Bereitstellen der Gussformteile lassen sich bei einer Reaktion des Stahls mit der Versiegelungslegierung im Hinblick auf das Verhindern des Formklebens besonders wirksame intermetallische Phasen ausbilden.
Dies gilt insbesondere, wenn die Kavität durch einen Warmarbeitsstahl aufweisende Gussformteile gebildet wird. Ein solcher Warmarbeitsstahl weist eine Warmfestigkeit bis etwa 400° C auf und ist daher für die Bereitstellung der Gussformteile zur Herstellung des Druckgussbauteils gut geeignet.
Beispielsweise kann ein Warmarbeitsstahl mit der Werkstoffnummer 1.2343 zum Bereitstellen der Gussformteile verwendet werden. Ein derartiger Warmarbeitsstahl enthält neben Eisen eine vergleichsweise hohe Konzentration an Chrom, nämlich in einem Massenanteil von etwa 5 Gewichtsprozent. Auf einen derartigen Warmarbeitsstahl kann die Versiegelungslegierung gut abgestimmt werden, etwa indem als Versiegelungslegierung eine Aluminium und Silizium enthaltende Legierung verwendet wird, welche einen Chromgehalt aus einem Bereich von etwa 2 Gewichtsprozent bis etwa 3 Gewichtsprozent, insbesondere von bis zu etwa 4 Gewichtsprozent, aufweist. Dies ist der Ausbildung der das Formkleben sehr weitgehend verringernden intermetallischen Phasen zuträglich.
Die vorstehend genannten Chromgehalte von etwa 2 Gewichtsprozent bis maximal etwa 4 Gewichtsprozent lassen es insbesondere zu, beim Einbringen der Versiegelungslegierung in die Kavität eine Prozesstemperatur von etwa 800° C nicht zu überschreiten und dennoch sicherzustellen, dass die Versiegelungslegierung ausreichend fließfähig ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Aluminium und Silizium enthaltende Versiegelungslegierung anstelle von Chrom oder zusätzlich zu Chrom wenigstens einen anderen Bestandteil X aufweist, welcher in die intermetallische Phase der Zusammensetzung Al(Fe,X)Si eingebaut werden kann, und welcher in einem geringeren Massenanteil als Chrom in dem Stahl enthalten ist. In einem solchen Fall kann dieser Bestandteil X insbesondere in einem Massenanteil in der Versiegelungslegierung enthalten sein, welcher dem Massenanteil dieses Bestandteils in dem Stahl entspricht oder sogar größer ist als der Massenanteil in dem Stahl.
Dies gilt insbesondere dann, wenn es sich bei diesem Bestandteil X etwa um Mangan, Molybdän oder Vanadium handelt, welcher in dem Stahl enthalten sein kann, insbesondere wenn dieser Stahl als der Warmarbeitsstahl mit der Werkstoffnummer 1.2343 ausgebildet ist.
Vorzugsweise wird beim Herstellen des Druckgussbauteils auf ein Aufbringen eines Trennmittels auf eine die Kavität begrenzende Oberfläche der Gussformteile verzichtet. Dadurch entfällt der mit dem Bereitstellen und dem Aufbringen des Trennmittels einhergehende Aufwand, insbesondere Materialaufwand und Kostenaufwand. Folglich gestaltet sich die Herstellung des Druckgussbauteils besonders aufwandsarm.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 stark schematisiert eine Gussform mit einer Kavität, welche durch zwei Gussformteile gebildet wird;
2 schematisch das Einbringen einer Versiegelungslegierung in die Kavität der Gussform gemäß 1;
3 das Entnehmen eines aus der Versiegelungslegierung gebildeten Hilfsbauteils aus der Gussform gemäß 2;
4 die Ausbildung einer Versiegelungsschicht an einer die Kavität begrenzenden Oberfläche der Gussformteile, welche auf dem vorherigen Einbringen der Versiegelungslegierung in die Kavität gemäß 2 beruht;
5 das Einbringen einer Leichtmetalllegierung in die Kavität der Gussform gemäß 4; und
6 das Entnehmen eines aus der Leichtmetalllegierung gebildeten Druckgussbauteils aus der Kavität gemäß 4.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
In 1 ist stark schematisiert eine Gussform 10 gezeigt, welche vorliegend ein erstes Gussformteil 12 und ein zweites Gussformteil 14 umfasst. Die zum Herstellen eines Druckgussbauteils 16 (vergleiche 6) verwendete Gussform 10 kann in der Realität selbstverständlich mehr als die vorliegend beispielhaft gezeigten Gussformteile 12, 14 aufweisen, durch welche gemäß 1 eine Kavität 18 gebildet wird, wenn die Gussform 10 wie in 1 gezeigt geschlossen ist.
Insbesondere wenn zum Herstellen des Druckgussbauteils 16 (vergleiche 6) eine Leichtmetalllegierung 20, beispielsweise in Form einer Aluminium und Silizium enthaltenden Legierung, verwendet wird, so kann es zu einem vergleichsweise starken Formkleben des Druckgussbauteils 16 kommen. Denn zwischen den Reaktionspartnern in Form der Leichtmetalllegierung 20 (vergleiche 6) und dem jeweiligen Material der Gussformteile 12, 14 bildet sich eine Verbindung aus, welche in einem starken Formkleben resultiert. Ein derartiges Formkleben ist jedoch vorliegend besonders weitgehend unterbunden, wie mit Bezug auf die nachfolgenden Figuren erläutert werden soll.
Gemäß 2 wird nämlich vor dem Einbringen der Leichtmetalllegierung 20 in die Kavität 18 eine Versiegelungslegierung 22 in die Kavität 18 eingebracht. Diese Versiegelungslegierung 22 wird gemäß 2 in einem Hilfstakt verwendet oder eingeschoben, um das Formkleben, also das Anhaften des aus der Leichtmetalllegierung 20 gebildeten Druckgussbauteils 16 an den Gussformteilen 12, 14 zu verhindern beziehungsweise besonders weitgehend zu verringern.
Der Hilfstakt, während welchem die Versiegelungslegierung 22 in die Kavität 18 eingebracht wird (vergleiche 2), wird vorzugsweise in wiederkehrender Weise beziehungsweise in wiederkehrenden Abständen zwischen eine Mehrzahl von Gießtakten eingeschoben, in welchen jeweils eines der Druckgussbauteile 16 hergestellt wird. Es kann also einmal in dem Hilfstakt gemäß 2 die Versiegelungslegierung 22 in die Kavität 18 eingebracht werden, wobei nach diesem Hilfstakt nacheinander eine Mehrzahl von Druckgussbauteilen 16 in der Gussform 10 hergestellt werden, ohne dass jeweils der Hilfstakt gemäß 2 zwischengeschaltet wird.
Die Versiegelungslegierung 22 dient vorliegend rein zur Verhinderung des Formklebens für eine gewisse Anzahl nachfolgender Gießtakte beziehungsweise Herstellungsvorgänge, in welchen das jeweilige Druckgussbauteil 16 (vergleiche 6) hergestellt wird.
Beispielsweise können die Gussformteile 12, 14 aus einem Stahl wie etwa einem Warmarbeitsstahl, insbesondere einem Warmarbeitsstahl mit der Werkstoffnummer 1.2343, gebildet sein. In diesem Stahl befindet sich neben dem Hauptbestandteil Eisen eine vergleichsweise hohe Konzentration an Chrom, nämlich in der Größenordnung von etwa 5 Gewichtsprozent. Chrom kann sich in intermetallische Phasen der Zusammensetzung Al(Fe,X)Si an der Stelle des Bestandteils X einbauen. Daher ist in dem zur Veranschaulichung gewählten Beispiel Chrom ein geeignetes Legierungselement, welches in der Versiegelungslegierung 22 enthalten sein kann (vergleiche 2), welche in dem Hilfstakt in die Kavität 18 eingebracht wird.
Gemäß 3 wird nach dem Erstarren der Versiegelungslegierung 22 in der Kavität 18 der Gussform 10 ein aus der Versiegelungslegierung 22 gebildetes Hilfsbauteil 24 aus der Gussform 10 entnommen. Das aus der Versiegelungslegierung 22 gebildete Hilfsbauteil 24 wird nach dem Abguss, also nach der Herstellung des Hilfsbauteils 24 in dem Hilfstakt, wieder geschmolzen beziehungsweise aufgeschmolzen. Somit kann das in dem Hilfstakt gebildete Hilfsbauteil 24 in einem Kreislauf nahezu vollständig rückgeführt werden.
Nach der Beendigung des Hilfstakts kann in einem jeweiligen Gießtakt unter Verwendung der Leichtmetalllegierung 20 das jeweilige Druckgussbauteil 16 produziert beziehungsweise hergestellt werden.
Vorliegend kann besonders weitgehend darauf verzichtet werden, dass die Leichtmetalllegierung 20 zur Verhinderung eines Formklebens angepasst oder verändert wird. Prinzipiell kann nämlich beispielsweise durch Vorsehen eines höheren Gehalts an etwa Eisen und/oder Chrom und/oder Mangan in der Leichtmetalllegierung 20 dafür gesorgt werden, dass es zu einem weniger starken Formkleben kommt als ohne die Beigabe solcher Legierungsbestandteile. Jedoch sorgen derartige Legierungsbestandteile dafür, dass das aus der Leichtmetalllegierung 20 gebildete Druckgussbauteil 16 spröder wird und somit ungünstigere mechanische Kennwerte aufweist, als dies wünschenswert ist.
Bei Verwendung des Verfahrens, bei welchem die Versiegelungslegierung 22 in dem Hilfstakt eingesetzt wird (vergleiche 2), können demgegenüber die mechanischen Kennwerte, und insbesondere die Duktilität des Druckgussbauteils 16, auf einem sehr hohen Niveau gehalten werden. Dies kann erreicht werden, ohne dass der Leichtmetalllegierung 20 in größerem Ausmaß Legierungsbestandteile zugegeben zu werden brauchen, welche zwar die Entformbarkeit des Druckgussbauteils 16 erhöhen, aber auch zu einer höheren Sprödigkeit des Druckgussbauteils 16 führen.
Des Weiteren kann besonders weitgehend auf einen Einsatz von Trennmitteln verzichtet werden, welche auf die Gussformteile 12, 14 im Bereich der Kavität 18 aufgebracht werden können, um das Formkleben zu reduzieren. Dies ist vorteilhaft, weil die Verwendung von Trennmitteln aufwändig und kostenintensiv ist. Außerdem kann dann das gebildete Druckgussbauteil 16 Rückstände des Trennmittels enthalten, was sich ebenfalls negativ auf die Qualität des Druckgussbauteil 16 auswirkt.
In dem vorliegend beispielhaft geschilderten Fall, in welchem die Gussformteile 12, 14 aus dem Stahl, insbesondere dem Warmarbeitsstahl, mit dem vergleichsweise hohen Chromgehalt gebildet sind, kann als die Versiegelungslegierung 22 eine Aluminium und Silizium enthaltende Legierung verwendet werden, welche außerdem ebenfalls einen vergleichsweise hohen Chromgehalt aufweist.
Die beruht auf der Erkenntnis, dass sich in diesem Fall Chrom in die intermetallischen Al(Fe,X)Si-Phasen an der Stelle des Bestandteils X einbaut. Demnach wird an einer die Kavität 18 begrenzenden Oberfläche 26 der Gussformteile 12, 14 (vergleiche 1 und 2) aus diesen intermetallischen Phasen der Zusammensetzung Al(Fe,X)Si mit Chrom als dem Bestandteil X eine Versiegelungsschicht 28 gebildet (vergleiche 4).
Bei der vorliegend beispielhaft genannten intermetallischen Phase mit der Zusammensetzung Al(Fe,X)Si stammt das Eisen vorwiegend bis nahezu ausschließlich aus dem Stahl und das Aluminium sowie das Silizium vorwiegend bis nahezu ausschließlich aus der Versiegelungslegierung 22. Der Chromanteil in der intermetallischen Phase mit der Zusammensetzung Al(Fe,Cr)Si stammt demgegenüber sowohl aus dem Stahl als auch aus der Versiegelungslegierung 22.
Während des in 2 schematisch gezeigten Hilfstakts, in welchem die Versiegelungslegierung 22 die Kavität 18 ausfüllt, führt in dem beispielhaft geschilderten Fall der hohe Chromgehalt der Versiegelungslegierung 22 zur Ausbildung der Reaktionsschicht beziehungsweise Versiegelungsschicht 28, welche auf der chemischen Reaktion der Versiegelungslegierung 22 mit dem Stahl beruht, aus welchem die Gussformteile 12, 14 zumindest in einem die Kavität 18 umgebenden Bereich der Gussformteile 12, 14 gebildet sind.
Beispielsweise kann der Chromgehalt der Versiegelungslegierung 22, also der Massenanteil des Bestandteils X, welcher in die intermetallischen Phasen der Versiegelungsschicht 28 mit der Zusammensetzung Al(Fe,X)Si anstelle des Bestandteils X eingebaut wird, so hoch gewählt werden, wie es dem Massenanteil in dem Warmarbeitsstahl oder Werkzeugstahl entspricht, aus welchem die Gussformteile 12, 14 gebildet sind.
In dem beispielhaft geschilderten Fall kann somit der Gehalt des Bestandteils Chrom in der Versiegelungslegierung 22 in der Größenordnung von etwa 2 Gewichtsprozent bis etwa 3 Gewichtsprozent und insbesondere bei maximal etwa 4 Gewichtsprozent liegen.
Vorzugsweise wird der Chromgehalt allerdings nur so hoch gewählt, dass die Versiegelungslegierung 22 beim Einbringen in die Kavität 18 noch flüssig ist. Die entsprechende Fließfähigkeit der Versiegelungslegierung 22 ist hierbei abhängig von den realisierbaren Prozesstemperaturen bei der Herstellung des Hilfsbauteils 24. In vorteilhafter Weise entsprechen diese Prozesstemperaturen denjenigen, welche auch beim Herstellen des Druckgussbauteils 16 in der Gussform 10 beziehungsweise mittels der Gussform 10 eingestellt werden.
Die Ausbildung der Versiegelungsschicht 28 (vergleiche 4) während des Hilftakts (vergleiche 2) schwächt die Diffusion des jeweiligen Reaktionspartners in einem Grenzbereich, in welchem beim anschließenden Herstellen des Druckgussbauteils 16 die Leichtmetalllegierung 20 an die Versiegelungsschicht 28 angrenzt (vergleiche 5). Somit verringert sich auch die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion der Leichtmetalllegierung 20 mit dem Material, aus welchem die Gussformteile 12, 14 zumindest im Bereich der Kavität 18 gebildet sind.
Folglich kommt es beim Herstellen des Druckgussbauteils 16 zu der Ausbildung einer kleineren Reaktionsschicht an dieser Grenze beziehungsweise in diesem Grenzbereich und somit zu einer geringeren beziehungsweise schwächeren Verbindung zwischen dem Druckgussbauteil 16 und den die versiegelte Kavität 18 begrenzenden Gussformteilen 12, 14. Entsprechend nimmt das Formkleben des Druckgussbauteils 16 in der mit der Versiegelungsschicht 28 versehenen Kavität 18 ab. Die Grenze beziehungsweise der Grenzbereich wird in dem nachfolgenden Gießtakten, in welchen das jeweilige Druckgussbauteil 16 hergestellt wird, durch eine Schichtoberfläche 30 der Versiegelungsschicht 28 gebildet.
Durch den Einbau von Chrom in die Reaktionsschicht beziehungsweise Versiegelungsschicht 28 wird vorliegend auch die Gestalt dieser Schicht im Vergleich zu einer Grenzschicht verändert, welche sich ausbilden würde, wenn die Leichtmetalllegierung 20 ohne das Vorhandensein der Versiegelungsschicht 28 in die Kavität 18 eingebracht würde, also in die Kavität 18, wie sie in 1 dargestellt ist. Denn die Versiegelungsschicht 28 wird als sehr kompakte Schicht aus den intermetallischen Al(Fe,X)Si-Phasen mit im Ausführungsbeispiel Chrom als dem Bestandteil X ausgebildet. Zudem verbleibt diese Versiegelungsschicht 28 mit einer besonders gleichmäßigen Schichtdicke auf den vorliegend aus dem Stahl gebildeten Gussformteilen 12, 14.
In vorteilhafter Weise ist zudem die Versiegelungsschicht 28 dicker als dies bei der Grenzschicht der Fall wäre, welche sich bei einem Einbringen der Leichtmetalllegierung 20 in die Kavität 18 der Gussform 10 gemäß 1 an der Oberfläche 26 der Gussformteile 12, 14 ausbilden würde.
Darüber hinaus ist die Versiegelungsschicht 28 an ihrer Schichtoberfläche 30, also an der die Kavität 18 begrenzenden Oberfläche, besonders glatt beziehungsweise eben ausgebildet.
Wenn demgegenüber die Leichtmetalllegierung 20 in die Kavität 18 gemäß 1 eingebracht würde, welche noch nicht mit der Versiegelungsschicht 28 gemäß 4 versehen ist, so hätte die hierbei gebildete Grenzschicht oder Reaktionsschicht eine Gestalt mit einer Vielzahl von sich in die Kavität 18 hinein erstreckenden Nadeln. Auch dies ist im Hinblick auf das Formkleben beim anschließenden Herstellen des Druckgussbauteils 16 nachteilig. Diese Nachteile werden vorliegend vermieden, indem aufgrund des Einbringens der Versiegelungslegierung 22 in die Kavität 18 in dem Hilfstakt (vergleiche 2) die kompakte Versiegelungsschicht 28 mit der besonders glatten Schichtoberfläche 30 ausgebildet wird (vergleiche 4).
Durch die Schichtoberfläche 30 ist für die nachfolgende Herstellung des Druckgussbauteils 16 eine die Kavität 18 begrenzende Oberfläche der Gussformteile 12, 14 bereitgestellt.
Die nach dem Entnehmen des Hilfsbauteils 24 (vergleiche 3) in der Gussform 10 verbleibende Versiegelungsschicht 28 (vergleiche 4) dient beim nachfolgenden Erstarren der Leichtmetalllegierung 20 in der Kavität 18 (vergleiche 5) als Diffusionsblockade. Dadurch verhindert die Versiegelungsschicht 28 in den folgenden Gießtakten, in denen das jeweilige Druckgussbauteil 16 hergestellt wird (vergleiche 6), das Formkleben der Leichtmetalllegierung 20, also das Anhaften des Druckgussbauteils 16 an der Schichtoberfläche 30.
Beim Druckgießen wird die Leichtmetalllegierung 20 mit einer vergleichsweise hohen Geschwindigkeit und mit einem hohen Druck in die mit der Versiegelungsschicht 28 versehene Kavität 18 eingebracht. Daher kann es in den nachfolgenden Gießtakten, in welchen jeweils eines der Druckgussbauteile 16 hergestellt wird, zu einer fortschreitenden Erosion der Versiegelungsschicht 28 kommen.
Wenn diese Erosion der Versiegelungsschicht 28 dazu führt, dass es bei dem Entnehmen des Druckgussbauteils 16 aus der Gussform 10, welches in 5 durch einen Pfeil 32 veranschaulicht ist, zu einem zumindest lokalen Anhaften des Druckgussbauteils 16 an den Gussformteilen 12, 14 der Gussform 10 kommt, wird ein erneuter oder weiterer Hilfstakt zwischengeschoben.
Dementsprechend wird dann also erneut die Kavität 18 mit der Versiegelungslegierung 22 befüllt. Anschließend wird das in diesem weiteren Hilfstakt gebildete Hilfsbauteil 24 aus der daran anschließend wieder mit der Versiegelungsschicht 28 versehenen Kavität 18 entnommen. Das jeweilige Entnehmen des Hilfsbauteils 24 aus der Gussform 10 in dem jeweiligen Hilfstakt ist in 2 durch einen weiteren Pfeil 34 veranschaulicht.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie ein Verfahren zur wirtschaftlichen Herstellung von Leichtmetall-Druckgussbauteilen 16 durch prozessuale Reduzierung des Formklebens bereitgestellt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019109453 A1 [0009]
DE 2117068 A1 [0011]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Druckgussbauteils (16), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bei welchem eine Leichtmetalllegierung (20) in eine Kavität (18) einer Gussform (10) eingebracht wird, welche durch wenigstens zwei Gussformteile (12, 14) der Gussform (10) gebildet wird, und bei welchem nach einem Erstarren der Leichtmetalllegierung (20) in der Kavität (18) das aus der Leichtmetalllegierung (20) gebildete Druckgussbauteil (16) aus der Gussform (10) entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einbringen der Leichtmetalllegierung (20) in die Kavität (18) eine Versiegelungslegierung (22) in die Kavität (18) eingebracht wird, welche in einem stärkeren Ausmaß als die Leichtmetalllegierung (20) mit den die Kavität (18) bildenden Gussformteilen (12, 14) intermetallische Phasen bildet, wobei nach einem Erstarren der Versiegelungslegierung (22) in der Kavität (18) ein aus der Versiegelungslegierung (22) gebildetes Hilfsbauteil (24) aus der Gussform (10) entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausbilden des Hilfsbauteils (24) durch die intermetallischen Phasen an einer die Kavität (18) begrenzenden Oberfläche (26) der Gussformteile (12, 14) eine Versiegelungsschicht (28) gebildet wird, welche bei einem nachfolgenden Herstellen des Druckgussbauteils (16) zu einem geringeren Anhaften des erstarrten Druckgussbauteils (16) an den Gussformteilen (12, 14) führt als dies ohne das Ausbilden des Hilfsbauteils (24) der Fall wäre.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausbilden des Hilfsbauteils (24) an der Versiegelungsschicht (28) eine Schichtoberfläche (30) ausgebildet wird, welche glatter ist als eine Grenzschicht, welche infolge einer Reaktion der Leichtmetalllegierung (20) mit der die Kavität (18) begrenzenden Oberfläche (26) der Gussformteile (12, 14) ohne ein Vorhandensein der Versiegelungsschicht (28) gebildet würde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass infolge des Einbringens der Versiegelungslegierung (22) in die Kavität (18) intermetallische Phasen der Zusammensetzung Al(Fe,X)Si gebildet werden, wobei als die Versiegelungslegierung (22) eine Legierung verwendet wird, welche einen größeren Massenanteil des in den intermetallischen Phasen der Zusammensetzung Al(Fe,X)Si enthaltenen Bestandteils X aufweist als die Leichtmetalllegierung (20).
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als die Versiegelungslegierung (22) eine Legierung verwendet wird, in welcher der Massenanteil des Bestandteils X - in etwa so groß ist wie in einem Material, aus welchem die Gussformteile (12, 14) gebildet sind, und/oder - geringer ist als ein Massenanteil des Bestandteils X, bei welchem eine beim Einbringen der Versiegelungslegierung (22) in die Kavität (18) vorhandene Fließfähigkeit der Versiegelungslegierung (22) einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die Versiegelungslegierung (22) eine Legierung verwendet wird, bei welcher der Bestandteil X wenigstens ein Metall aus der Gruppe Chrom, Mangan, Molybdän, Kobalt und Vanadium, insbesondere Chrom, umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem einmaligen Ausbilden des Hilfsbauteils (24) nacheinander eine Mehrzahl von Druckgussbauteilen (16) in der Gussform (10) hergestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsbauteil (24) nach dem Entnehmen aus der Gussform (10) geschmolzen wird, wobei eine hierbei gebildete Schmelze zum Bereitstellen der Versiegelungslegierung (22) für ein Ausbilden eines weiteren Hilfsbauteils (24) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die Leichtmetalllegierung (22) eine Aluminium, insbesondere Aluminium und Silizium, enthaltende Legierung verwendet wird, und/oder die Kavität (18) durch einen Stahl, insbesondere einen Warmarbeitsstahl, aufweisende Gussformteile (12, 14) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herstellen des Druckgussbauteils (16) auf ein Aufbringen eines Trennmittels auf eine die Kavität (18) begrenzende Oberfläche (30) der Gussformteile (12, 14) verzichtet wird.