EP1239054A1

EP1239054A1 - Wärmebehandlung von übereutektischen Al-Si-Legierungen

Info

Publication number: EP1239054A1
Application number: EP02002600A
Authority: EP
Inventors: Johann Wolf; Franz-Josef Dr. Klinkenberg
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2001-03-07
Filing date: 2002-02-05
Publication date: 2002-09-11
Also published as: DE10110756A1

Abstract

Ein Gussteil aus einer übereutektischen AI-Si-Legierung wird in einem lokalen Bereich hoher mechanischer Betriebsspannungskonzentration kurzzeitig bis in den schmelzflüssigen Bereich der primären Si-Kristalle erwärmt und dann abgeschreckt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Gussteils aus einer übereutektischen Al-Si-Legierung sowie ein entsprechend hergestelltes Gussteil.

Bei Gussteilen aus eutektischen oder untereutektischen Aluminium-Legierungen ist es seit langem bekannt, dass diese durch geeignete Wärmebehandlung ausgehärtet werden können. Das Aushärten beruht dabei auf Entmischungs- oder Ausscheidungsvorgängen übersättigter Mischkristalle und besteht im wesentlichen aus einem Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern des Gussteils. Hierdurch werden die höchsten, für Leichtmetall möglichen Festigkeitswerte erzielt. In diesem Zusammenhang sind auch kurzzeitige, lokale Glühbehandlungen bekannt (EP 1020540 A1), bei denen insbesondere großflächige, verwickelt ausgebildete Aluminium-Gussteile 10 bis 100 sec lang bei einer Temperatur von 450 bis 550 °C zur Erzielung hoher lokaler Härte und Festigkeit behandelt werden.

Für die Herstellung von Gussteilen mit speziellen Gleitflächen, z.B. von Kurbelgehäusen mit Zylinderlaufflächen kommen jedoch zunehmend übereutektische Legierungen wie z.B. Al-Si17Cu4Mg oder Al-Si18CuNiMg zum Einsatz, bei denen vor allem die Entstehung relativ großer primärer Siliziumkristalle gewünscht wird. Ein komplett aus einem derartigen übereutektischen Gusswerkstoff hergestelltes Kurbelgehäuse bietet den Vorteil, dass nach einem Hon- und Ätzprozess die Zylinderlauffläche direkt aus dem Gusswerkstoff herausgearbeitet werden kann. Dabei treten die primären Siliziumkristalle aus der Grundmatrix des Gusswerkstoffes hervor und bilden so eine ideale Gleitfläche mit einer Vielzahl von Mikrotaschen für das Schmiermittel. Andererseits hat es sich gezeigt, dass es gerade an den spröden, groben und scharfkantigen Gefügebestandteilen, also an den primären Siliziumkristallen und intermetallischen Phasen derartiger Gusslegierungen insbesondere an den Stellen dynamischer Lastkonzentration leicht zu einer Rissbildung kommen kann, die schnell zum Ausfall des Gussteils, also etwa des Kurbelgehäuses führen würde. Mit den für eutektische Legierungen bekannten Härtungsmethoden lässt sich die Rissbildungsgefahr an diesen Stellen nicht beseitigen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Gussteils aus einer übereutektischen Al-Si-Legierung sowie ein entsprechendes Gussteil zu schaffen, welches sowohl die Ausbildung von Gleitflächen in der oben beschriebenen Weise, als auch eine deutlich verminderte Rissbildung insbesondere unter der Wirkung dynamischer Belastungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 sowie durch ein Gussteil nach Patentanspruch 9 gelöst.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass eine Risseinleitung in den kritischen Bereichen des Gussteils, wie etwa dem Stegbereich oder dem Lagerstuhlbereich eines Kurbelgehäuses, also Bereichen, die keine Gleitflächen aufweisen, durch eine nur auf diese Bereiche beschränkte Gefügeverfeinerung vermieden werden kann, bei welcher die groben, spröden Gefügebestandteile des Gussteils in den oberflächennahen Randzonen in kleine, fein dispers verteilte Phasen umgewandelt werden. Diese thermische Gefügeveränderung basiert auf einem kurzzeitigen Aufschmelzen der Gussteiloberfläche in Verbindung mit einer raschen Erstarrung dieser Bereiche. Die Dauer der Aufschmelzung sollte einerseits eine gewisse Durchmischung der Legierungsbestandteile durch Diffusion ermöglichen, andererseits aber nicht zu wesentlichen Formänderungen der ursprünglichen Oberfläche führen. In Versuchen hat sich für die meisten übereutektischen Al-Si-Legierungen und Gussformen eine Aufschmelzdauer von maximal 3 sec oberhalb der Liquidustemperatur, also etwa 650°C, als günstig erwiesen. Die rasche Erstarrung des aufgeschmolzenen Bereiches wird durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Aluminiumgusswerkstoffes unterstützt und kann durch eine zusätzliche Kühlung noch gesteigert werden. Es hat sich dabei als besonders günstig erwiesen, die Abkühlgeschwindigkeit so zu wählen, dass die Größe der entstehenden Gefügebestandteile, insbesondere der primären Si-Kristalle einen Wert von 5 µ nicht überschreitet. Weiterhin hat sich für die Wärmebehandlung ein Gleichstromschweißverfahren, also zum Beispiel die Verwendung einer Aluminium-WIG-Gleichstrom-Schutzgas-Schweißanlage ohne Zusatzwerkstoff als vorteilhaft erwiesen. Hiermit lassen sich relativ kleinflächige Bereiche des Gussteils in kurzer Zeit mit einem ausreichend hohen Energieeintrag erwärmen, so dass lediglich eine oberflächennahe Schicht aufgeschmolzen und bei der Abschreckung in die oben beschriebene, fein dispers verteilte Phase umgewandelt wird. Außerdem bietet dieses Schweißverfahren durch den lokal hohen Energieeintrag und die hohe Abkühlgeschwindigkeit eine geringe Neigung zu Poren, Warm- und Kaltrissen sowie eine kleine Wärmeeinflusszone, so dass die positiven Eigenschaften der Oberfläche nicht durch entfestigende Mechanismen wieder reduziert werden. Der Energieeintrag sollte dabei so bemessen sein, dass eine Erwärmung des Gussteils in den schmelzflüssigen Bereich der primären Si-Kristalle von dessen Oberfläche bis in eine Tiefe von maximal einem Millimeter erfolgt; dies reicht für eine Unterdrückung der Rissbildung im allgemeinen aus und verändert die Grundeigenschaften des übrigen Gussteils nur wenig.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: einen Querschnitt durch ein Kurbelgehäuse aus einer übereutektischen Al-Si-Legierung;
Fig. 2: ein Schliffbild eines Gussteils gemäß Fig. 1 im Bereich einer lokalen Wärmebehandlung; und
Fig. 3a bis d: Schliffbilder des Gussteils in unterschiedlichen Tiefen des in Fig. 2 dargestellten Bereiches.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Querschnitt durch ein Kurbelgehäuse aus einer übereutektischen Al-Si-Legierung sind einige kritische Stellen A, B, C im Lagerstuhlbereich markiert, an denen es bei dynamischen Belastungen vermehrt zu einer Rissbildung kommen kann. Diese Stellen werden nun erfindungsgemäß mit einem Aluminium-WIG-Gleichstrom-Schutzgas-Schweißverfahren behandelt, wobei die Oberfläche an den kritischen Bereichen kurzzeitig bis in den schmelzflüssigen Bereich der primären Si-Kristalle erwärmt und dann abgeschreckt wird. Die sich dadurch ergebende Gefügeveränderung ist in einem Schliffbild in Fig. 2 dargestellt. Man sieht schon hier, dass in einem oberflächennahen Bereich F, der im dargestellten Labormuster tiefer als in den meisten Fällen notwendig ist, das grobe Gefüge der Grundmatrix G verschwunden und nur noch eine fein dispers verteilte Phase zu erkennen ist.

In den Fig. 3a bis d sind nun an den in Fig. 2 markierten Stellen vergrößerte Ausschnitte aus dem erfindungsgemäß behandelten Bereich zu sehen. In Fig. 3a erkennt man die Oberfläche des erfindungsgemäß behandelten Gussteils sowie das darunter liegende, fein dispers verteilte Gefüge einer übereutektischen AI-Si-Legierung. Die einzelnen Gefügebestandteile, insbesondere auch die primären Si-Kristalle sind extrem klein (im allgemeinen kleiner als 5 µ), wobei die Feinheit unmittelbar an der Oberfläche sogar höher ist als in zunehmender Tiefe. In der tiefer liegenden Schicht, die in Fig. 3b dargestellt ist, ist das Gefüge immer noch sehr fein dispers verteilt. Erst in der wiederum tiefer liegenden, in Fig. 3c dargestellten Schicht erkennt man den Übergang des erfindungsgemäß behandelten Bereichs in den ursprünglichen, unbehandelten Bereich des Gussteils. Diese Grenze sollte in der Regel eine Tiefe von maximal einem Millimeter nicht überschreiten. Unterhalb dieser Grenze ist das Gefüge in seinem ursprünglichen, groben Zustand geblieben, was in Figur 3d gezeigt ist.

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung eines Gussteils aus einer übereutektischen Al-Si-Legierung, dadurch gekennzeichnet, dass
das Gussteil in einem lokalen Bereich hoher mechanischer Betriebsspannungskonzentration kurzzeitig bis in den schmelzflüssigen Bereich der primären Si-Kristalle erwärmt und dann abgeschreckt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Erwärmung des Gussteils in den schmelzflüssigen Bereich der primären Si-Kristalle an dessen Oberfläche bis in eine Tiefe von maximal 1 mm erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der schmelzflüssige Bereich für eine Dauer von maximal 3 sec aufrechterhalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmebehandlung unter Schutzgas erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmeabfuhr zur Abschreckung des lokal wärmebehandelten Gussteilbereiches über das diesen Bereich umgebende Gussteilmaterial erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die Abkühlgeschwindigkeit des lokal erwärmten Bereiches derart eingestellt wird, dass die Größe der aus der Schmelze entstehenden Gefügebestandteile, insbesondere der primären Si-Kristalle einen Wert von 5 µ nicht überschreitet.
Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur lokalen Erwärmung des Gussteils ein Kaltschweißverfahren zur Anwendung kommt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
das Gussteil zumindest in dem lokal zu erwärmenden Bereich aus einer Al-Si17Cu4Mg- oder Al-Si18CuNiMg-Legierungen hergestellt wird.
Gussteil aus einer übereutektischen Al-Si-Legierung, dadurch gekennzeichnet, dass
die Größe der Gefügebestandteile, insbesondere der primären Si-Kristalle zumindest an der Oberfläche eines lokalen Bereiches hoher mechanischer Betriebsspannungskonzentration wesentlich geringer als in den übrigen Bereichen des Gussteils ist.