DE4304134C1 - Verfahren zur Herstellung von Gußteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gußteilen aus aushärtbaren Aluminiumlegierungen sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes Gußteil.

Im Gußverfahren hergestellte Werkstücke werden in verschiedensten Bauteilen und für verschiedenste Anwendungen eingesetzt.

Unter diesen für Gußverfahren geeigneten Legierungen finden Alumi­ niumlegierungen wachsende Bedeutung. So werden z. B. Ölwannen für Kraftfahrzeuge aus Aluminiumlegierungen im Gußverfahren, d. h. im Druckguß, Sandguß oder Kokillenguß hergestellt. Diese herkömmlichen aus einer Aluminiumlegierung gegossenen Ölwannen weisen eine nur geringe Verformbarkeit von ca. 1-2% Dehnung auf. Insbesondere aufgrund dieser geringen Verformbarkeit sind die solchermaßen her­ gestellten Werkstücke nur begrenzt stoßfest. So können z. B. Stein­ schlag oder sonstige hohe Weghindernisse zu Rissen in der Ölwanne und damit zu Undichtigkeiten führen.

Zunehmend steigen die Anforderungen der Industrie nach Ölwannen mit einer erhöhten Stoßbeständigkeit, um so z. B. Beschädigungen der Öl­ wanne beim Auffahren auf eine Bordsteinkante zu vermeiden. Um die­ sen Forderungen der Industrie nachzukommen,wurden zunächst die Wanddicken der Werkstücke verstärkt, um so die Festigkeit der ge­ samten Ölwanne oder des Bodenbereichs zu erhöhen. Diese Maßnahme ist jedoch mit erhöhten Materialaufwendungen verbunden, so daß die Produktionskosten wesentlich ansteigen.

Aus der US 4,151,014 ist es bekannt, metallische Werkstücke, insbesondere aus Kupfer oder Kupferlegierungen, mit einem gepulsten Laserstrahl zu glühen, um lokalisiert eine gewünschte Härte­ stufe zu erzielen. Es geht dort nicht um die Behandlung von Gußteilen.

Aus dem Aluminium-Taschenbuch, 14. Auflage, 1983, Seite 134 und Seiten 429 bis 435, ist eine allgemeine Abhandlung in bezug auf die Wärmebehandlung verschiedener aushärtbarer Aluminiumlegierungen zu entnehmen.

Dort werden die Gefügeänderungen bei der Wärmebehandlung solcher Legierungen erläutert.

Insbesondere ist es aus den Seiten 429 bis 435 bekannt, Gußstücke aus aushärtbaren Aluminiumlegierungen zur Steigerung des Formänderungsvermögens, d. h. der Duktilität, lösungszuglühen und langsam abzukühlen, wobei aufgrund der hohen Lösungsglühtemperaturen Aushärteffekte beseitigt oder verhindert werden. Weiterhin werden danach Aushärteffekte auch durch zu lange Auslagerzeiten und zu hohe Auslager­ temperaturen vermindert (Überalterung).

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstel­ lung von Gußteilen zu schaffen, mit dessen Hilfe sich die im Stand der Technik bekannten Nachteile überwinden lassen, und des weiteren ein möglichst stoßbeständiges Gußteil, insbesondere eine Ölwanne für Kraftfahrzeuge, zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstel­ lung von Gußteilen nach dem Anspruch 1 und durch ein nach diesem Verfahren hergestelltes Gußteil gemäß Anspruch 15 gelöst.

Die nach dem Ausformen durchgeführte, lokalisierte Überalterungs­ behandlung ermöglicht es, Gußteile herzustellen, die in einzelnen Bereichen unterschiedliche Härte bzw. Festigkeit aufweisen. Es lassen sich somit nach der Fertigstellung des Gußteiles beliebige Bereiche mit höherer Duktilität und andere Bereiche mit geringerer Duktilität, also hart und formstabil, erzielen. Das fertiggestellte Gußteil weist folglich zwei gegenläufige Eigenschaften, Bereiche von hoher Härte sowie Bereiche mit niedriger Härte in einem einzigen Werkstück auf. Das Verfahren bringt des weiteren den Vorteil mit sich, daß Werkstücke mit geringerer Wandstärke hergestellt werden können, außerdem ist es einfach durchzuführen, und aufgrund der Zeit- und Energieeinsparung äußerst wirtschaftlich. Es läßt sich bequem in schon bestehende Fertigungsabläufe integrieren.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erge­ ben sich aus den Unteransprüchen.

Die vorliegende Erfindung ist vielseitig auf die verschiedensten Gußverfahren, z. B. Sandguß, Druckguß, Kokillenguß anwendbar.

Gleichermaßen können Gußteile verschiedenster aushärtbarer Aluminium­ gußlegierungen und daher für die unterschiedlichsten Anwendungen gemäß dem vorliegenden Verfahren hergestellt werden. Als besonders vorteil­ haft hat sich die Anwendung des Verfahrens zur Herstellung von Sand-, Druck- oder Kokillen-Gußteilen, z. B. aus der Aluminiumlegierung AlSi10Mg herausgestellt. Für eine AlSi10Mg-Legierung liegt ein ge­ eigneter Temperaturbereich für die lokalisierte Überalterungs­ behandlung zwischen 380°C-500°C bei einer Zeitdauer von 3-4 Minuten.

Ferner können die herzustellenden Gußteile vor der Durchführung der lokalisierten Überalterungsbehandlung - im folgenden als lokale Wärmebehandlung bezeichnet - ausgehärtet oder anderweitig vorbehandelt werden.

Zwei einfache und schnell durchzuführende Möglichkeiten, die Überalterungsbehandlung gezielt durchzuführen, stellen die Behandlung mit der offenen Gasflamme oder mit elektrischer Heizung dar.

Um bei komplizierter aufgebauten Gußteilen die höhere Festigkeit in bestimmten Bereichen des Teiles beizubehalten, hat es sich als vor­ teilhaft herausgestellt, wenn diese Bereiche während der lokalen Wärmebehandlung zusätzlich gekühlt werden, z. B. durch Wasserküh­ lung, Luftkühlung oder durch gekühlte und profilierte Metallbacken. Auf diese Weise wird möglich, die verschiedensten Formen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu behandeln.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Herstellung von Ölwannen geeignet, bei welchen durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Flanschbereich mit erhöhter Festigkeit und ein duktiler Boden­ bereich gezielt ausgebildet werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich beliebig auf andere Guß­ teile übertragen, bei denen Doppeleigenschaften bzw. gegenläufige Eigenschaften von Bereichen erhöhter Härte und niedriger Härte ge­ fordert sind. Durch das erfindungsgemäße Verfahren entfallen unter Umständen aufwendige nachfolgende Bearbeitungsvorgänge, z. B. Bohren und Fräsen, die bei den herkömmlichen Aushärtungs- oder Weichglüh­ verfahren durch Verzug der Formteile auftreten können.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich somit Gußteile, z. B. Ölwannen herstellen, die eine Härte von HB 85-110 und Duktili­ tät von 0,5-2,5% im Flanschbereich und, je nach Gußverfahren (Druck-, Sand- oder Kokillenguß (GD, GS, GK)), eine Härte von HB 55-80 und eine Duktilität oberhalb 4% im Bodenbereich haben. Für Sandguß liegen die bevorzugten Werte im Bodenbereich bei 55-65 HB und 4%, für Druckguß bei 70-80 HB und 5% und für Kokillenguß bei 60-70 HB und ebenfalls 5%.

Eine solche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Ölwanne ist für die Praxis ausreichend stoßfest und läßt sich einfach und preiswert herstellen. Angegos­ sene zusätzliche Elemente z. B. zur Getriebeabstützung behalten die ihnen zugedachte Zweckfunktion, da sie von der lokalen Behandlung ausgeklammert werden.

Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen un­ ter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung einer gemäß des vorliegenden Verfahrens behandelten Ölwanne, und

Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung im Schnitt einer gemäß des vorliegenden Verfahrens behandelten und teilweise im Was­ serbad gekühlten Ölwanne.

Die in Fig. 1 dargestellte stark vereinfachte Ölwanne 1 umfaßt einen wannenförmigen Bodenbereich 4, dessen obere Kante von einem umlaufenden Flanschbereich 2 abgeschlossen wird. In den Flanschbe­ reich 2 sind eine Vielzahl von Aufnahmeöffnungen 3 ausgebildet, über welche die Ölwanne mit einem Gehäuse verbunden werden kann. Die Form der Ölwanne kann beliebig variiert und durch zusätzliche Ele­ mente, z. B. eine Getriebestütze, ergänzt werden.

Die in Fig. 1 dargestellte Ölwanne wurde wie nachfolgend beschrie­ ben hergestellt:

Im GD-Verfahren wird eine verflüssigte Aluminiumlegierung aus AlSi10Mg unter Druck von mehreren 100 bar in eine Gußform eingefüllt und in dieser erstarrt. Aufgrund der besseren Wär­ meableitung durch die Druckform und der damit verbundenen schnelle­ ren Abkühlung entsteht ein Gußteil mit einem feinkörnigen Gefüge und einer ausreichend hohen Festigkeit. Um Lufteinschlüsse in dem Gußteil zu vermeiden, wird vorzugsweise eine evakuierbare Gußform eingesetzt.

Im GS- und GK-Verfahren wird die Form unter Schwerkraft oder niede­ rem Druck gefüllt.

Die solchermaßen hergestellten Formteile können zur Steigerung der Festigung durch Wärmebehandlung ausgehärtet werden. Zu diesem Zweck wird das Formgußteil zunächst einem ersten Schritt der Wärme­ behandlung, dem sogenannten Lösungsglühen, bei einer Temperatur von 520°C unterworfen. Anschließend wird das Formgußteil auf Raumtempe­ ratur abgeschreckt und bei einer Temperatur zwischen 145°C und 180°C ausgehärtet. Durch dieses Verfahren sind Festigkeitssteige­ rungen von mehr als 50% im gesamten Gußteil erzielbar. Die solchermaßen ausgehärtete Ölwanne weist jedoch nur eine geringe Duktilität im Bereich von 1-2% Dehnung auf.

Zur Durchführung der lokalen Wärmebehandlung wird das Gußformteil 1 in einem nachfolgenden erfindungsgemäßen Verfahrensschritt in eine geeignete Vorrichtung eingelegt, in welcher das Formgußteil positioniert liegt. Anschließend wird der Bodenbereich 4 des Form­ gußteiles mit einer offenen Flamme lokal behandelt. Zu diesem Zweck sind unterhalb der Ölwanne Glührohre 5 in einem Abstand von ca. 20 mm angeordnet, mit deren Hilfe der Bodenbereich 4 des Gußteiles bei ca. 450°C zwei bis vier Minuten lokal wärmebehandelt wird.

Durch die lokale Wärmebehandlung wird eine Gefügeumwandlung in dem behandelten Bereich des Gußformstückes erzielt, und diese behandel­ ten Bereiche zeichnen sich durch eine geringere Härte sowie durch eine erhöhte Dehnung von mehr als 5% aus. Die verschiedenen Berei­ che werden in Fig. 1 durch die gestrichelte Trennlinie angedeutet.

Je nach Ausführung der lokalen Wärmebehandlung kann die Position der Trennlinie beliebig variiert werden.

Zur konzentrierten lokalen Wärmeeinbringung kann es notwendig werden, diese Wärme teilweise abzuführen, um die Bereiche, z. B. die Flanschbereiche 2, welche eine erhöhte Festigkeit aufweisen sollen, beizu­ behalten. Wird eine Kühlung bestimmter Bereiche notwendig, können z. B. gezielt Kühlbacken eingesetzt werden, oder die Glühbehandlung im Wasserbad 6 durchgeführt werden, wobei das zu behandelnde Guß­ teil 1 geeignet in dem Wasserbad 6 angeordnet wird (Fig. 2). Das heißt die Bereiche, die eine höhere Festigkeit aufweisen sollen, werden in das Wasserbad eingetaucht, während sich die zu wärmebe­ handelnden Bereiche oberhalb der Wasseroberfläche befinden.

Die Härte der wie oben beschrieben hergestellten Ölwannen wurde anschließend mittels des Brinell-Verfahrens ermittelt.

Dabei zeigte es sich, daß die Ölwannen im Flanschbereich eine Härte von HB 85-110 aufwiesen, während die Härte im Bodenbereich auf 60-75 HB absank.

Zu Vergleichszwecken hergestellte Ölwannen, die auf herkömmliche Art und Weise d. h. ohne eine nachfolgende lokale Wärmebehandlung hergestellt wurden, zeigten in allen Bereichen eine Härte von ca. 85-110 HB.

Des weiteren wurde die Stoßfestigkeit der erfindungsgemäß herge­ stellten und der konventionell hergestellten Ölwannen untersucht. Zu diesem Zweck wurde eine Versuchsanordnung aufgebaut, bei welcher ein Fallgewicht von 8,5 kg aus einer Höhe von 1 m mit einer Auf­ schlaggeschwindigkeit von ca. 16 km/h mit einer kinetischen Energie von ca. 83 J auf den Boden der Ölwannen aufprallten.

Nach der Schlagprüfung zeigten sich in den konventionell herge­ stellten Ölwannen sternförmige Risse an den Kollisionsstellen, die sich teilweise über die ganze Wanddicke des Formteiles fortsetzten.

Im Gegensatz dazu wiesen die erfindungsgemäß hergestellten Ölwannen Verformungen an der Kollisionsstelle auf, Risse oder undichte Stel­ len konnten in der Ölwanne nicht entdeckt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf allen Gebieten eingesetzt werden, bei welchen einstückig hergestellte Gußteile mit Bereichen verschiedener Härte in einem Teil benötigt werden.

Claims (16)

1. Verfahren zur Herstellung von Gußteilen aus einer aus­ härtbaren Aluminiumlegierung, bei dem in an sich bekann­ ter Weise die geschmolzene Legierung in eine Form gegos­ sen, abgekühlt und nach dem Erstarren entformt wird und wobei nach dem Entformen zur Einstellung von Bereichen unterschiedlicher Härte im Gußteil eine lokalisierte Überalterungsbehandlung durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gießen der geschmolzenen Legierung im Sandguß durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gießen der geschmolzenen Legierung im Druckguß durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gießen der geschmolzenen Legierung im Kokillenguß durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine AlSi10Mg-Legierung verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 und 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die lokale Wärmebehandlung bei Tempe­ raturen zwischen 380°C bis 500°C 3 bis 4 min durchge­ führt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gußteil vor der lokalen Wärmebe­ handlung ausgehärtet wird.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Wärmebehandlung mit Hilfe einer offenen Flamme, z. B. einer Gasflamme, durchgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die lokale Wärmebehandlung mit Hilfe eines elektrischen Heizstrahlers durchgeführt wird.

10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche des Gußteiles, die der nachfolgenden lokalen Wärmebehandlung nicht aus­ gesetzt werden sollen, während der Wärmebehandlung gekühlt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß diese Kühlung mittels Wasserkühlung durchgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß diese Kühlung mittels gekühlter Profilbacken oder mit­ tels Luftstrahl erzielt wird.

13. Anwendung des Verfahrens nach mindestens einem der An­ sprüche 1 bis 12 zur Herstellung von Ölwannen.

14. Anwendung des Verfahrens nach mindestens einem der An­ sprüche 1 bis 12 zur Herstellung von Gehäusen.

15. Gußteil, hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußteil als Ölwanne für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem Flansch und einem Bodenbereich ausgebildet ist und eine Härte von 85 bis 110 HB und eine Duktilität von 0,5 bis 2,5% im Flanschbereich und eine Härte von 55 bis 80 HB und eine Duktilität oberhalb von 4% im Bodenbereich aufweist.

16. Gußteil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß des weiteren eine Getriebestütze ausgebildet ist.