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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 1.
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Verfahren der hier angesprochenen Art sind bekannt. Zur Herstellung hochbelastbarer Bauteile aus Leichtmetallen, insbesondere aus Aluminium, ist es bekannt, Aluminium-Bleche kaltumzuformen, wobei die Bleche zur Steigerung ihres Umformvermögens lokal wärmebehandelt werden. Dabei ist es allerdings möglich, dass aufgrund von Verzügen Geometriefehler entstehen, die nur schwer nachzurichten sind. Weiterhin müssen mechanisch besonders hochbeanspruchte Bauteile mit Verstärkungsbauteilen gefügt werden, was den Herstellungsprozess verkompliziert und das Gewicht des Bauteils erhöht. Es sind auch Aluminium-Gussteile bekannt, die jedoch aufgrund von Einschlüssen und Lunkern mechanisch nur begrenzt belastbar sind. Weiterhin ist es bekannt, insbesondere hochbelastbare Bauteile aus Leichtmetallen oder Leichtmetalllegierungen, insbesondere Aluminium, zu schmieden, wobei typischerweise Aluminium-Knetlegierungen zum Einsatz kommen. Diese Schmiedebauteile weisen jedoch nicht immer die geforderten Eigenschaften auf.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2011 118 014 A1 ist ein Verfahren bekannt, in dessen Rahmen ein Karosseriebauteil-Halbzeug aus einer Aluminium-Knetlegierung gefertigt wird, indem Sekundäraluminium geschmolzen wird, wodurch eine Sekundäraluminium-Knetlegierung erhalten wird. Diese wird zu einem Rohling vergossen. Der Rohling wird zu einem Karosseriebauteil-Aluminiumhalbzeug umgeformt. Dabei kann ein Strangpressprofil als Aluminiumhalbzeug erzeugt werden. Das Karosseriebauteil-Aluminiumhalbzeug wird zu dem Karosseriebauteil weiter verarbeitet, wobei ein Schmiedevorgang ausgeführt werden kann. Auch dieses bekannte Verfahren ist in Hinblick auf eine reproduzierbare mechanische Belastbarkeit der entstehenden Bauteile noch verbesserungswürdig.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit Hilfe dessen reproduzierbar und zuverlässig mechanisch hochbelastbare Aluminium-Bauteile für Kraftfahrzeuge geschaffen werden können.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren mit den Schritten des Anspruchs 1 geschaffen wird. Es wird eine Schmelze einer Aluminium-Legierung bereitet. Die Schmelze wird in einer Gussmatrize stranggegossen und in der Gussmatrize abgekühlt oder abkühlen gelassen, bis eine Stranggussmasse mit erstarrtem Außenmantel gebildet ist. Der Abkühlvorgang wird demnach so lange durchgeführt, bis sich aus der Schmelze eine Stranggussmasse gebildet hat, die einen erstarrten Außenmantel, mithin eine erstarrte äußere Schicht, aufweist. Anschließend wird die Stranggussmasse einem ersten Lösungsglühen unterworfen. Die lösungsgeglühte Stranggussmasse wird vorverdichtet, vorzugsweise stranggepresst, und zwar derart, dass sich ihre Querschnittsfläche beim Vorverdichten auf mindestens 15% bis höchstens 25%, vorzugsweise auf 20%, der ursprünglichen Querschnittsfläche der Stranggussmasse vor dem Vorverdichten verringert. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die Stranggussmasse durch Walzen vorverdichtet wird. Bevorzugt wird die Stranggussmasse zu Profilen mit großem Verhältnis von Breite zu Dicke vorverdichtet. Die vorverdichtete Stranggussmasse wird auf Raumtemperatur abgeschreckt. Dabei wird sie bevorzugt schnell abgeschreckt, besonders bevorzugt in Wasser. Anschließend wird die vorverdichtete und abgeschreckte Stranggussmasse in Einzelstücke vereinzelt. Die Stranggussmasse liegt nämlich als Endlos-Stangenmaterial vor, welches zur Weiterverarbeitung in Einzelstücke zugeschnitten wird. Anschließend wird ein Einzelstück einem zweiten Lösungsglühen unterzogen. Das lösungsgeglühte Einzelstück wird zu einem Bauteil warmgeschmiedet. Anschließend wird das Bauteil abgeschreckt. Es folgt eine Warmauslagerung des Bauteils bei höchstens 260°C. Dadurch ist das warmausgelagerte Bauteil ausscheidungsgehärtet.
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Durch das erste Lösungsglühen der Stranggussmasse wird bewirkt, dass insbesondere beim Abkühlen der Schmelze erfolgte Ausscheidungen von Silizium und Magnesium, die Hauptlegierungsbestandteile einer Aluminiumlegierung der Serie 6xxx sind, wieder in Lösung gehen. Die dem ersten Lösungsglühen nachfolgende, rasche Abkühlung sorgt dafür, dass ein feinkörniges Gefüge eingefroren wird. Durch die Vorverdichtung, deren Größe abhängig ist von der angewendeten Pressenkraft, die wiederum vom Material, der Temperatur des Materials und der Werkzeuggeometrie abhängt, werden die Eigenschaften der Stranggussmasse verbessert, weil Poren und Lunker aufgrund der Verdichtung verschwinden, wobei dem Material zugleich eine Ausrichtung, also eine Faserrichtung oder Textur, verliehen wird.
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Beim Warmschmieden wird die Wandstärke des zu erzeugenden Bauteils lokal verschieden und so insbesondere belastungsgerecht gemäß den zu erwartenden Anforderungen lokal gezielt eingestellt, sodass lokal jeweils nur so viel Material vorhanden ist, wie auch für die mechanischen Eigenschaften des Bauteils benötigt wird beziehungsweise wo verschieden starke Umformgrade aufgebracht werden müssen. Es wird so also ein Bauteil mit lokal variablem Querschnitt beziehungsweise lokal variabler Stärke ausgebildet, welches nicht bezüglich seiner Wandstärke auf die größte zu erwartende mechanische Belastung angepasst sein muss. Vielmehr ermöglicht die lokale Variabilität des Querschnitts eine Anpassung hochbelasteter Bereiche an die zu erwartenden Belastungen, während weniger belastete Bereiche dünnwandiger ausgebildet sein können. Hierdurch trägt das Bauteil – über die Verwendung eines Leichtmetalls hinaus – dem Leichtbaugedanken Rechnung. Solche lokalen Wandstärkeunterschiede können zumindest wirtschaftlich nur durch Warmschmieden hergestellt werden. Beim Kaltschmieden ist dies nicht möglich, vielmehr resultiert hier eine höhere Wandstärke, eine geringere Umformtiefe und größere Radien. Demnach ist insbesondere der Aspekt, dass das Bauteil durch Warmschmieden hergestellt wird, geeignet, einer auch lokal beanspruchungsgerechten Ausbildung des Bauteils und dem Leichtbaugedanken Rechnung zu tragen.
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Beim Warmschmieden ist darauf zu achten, dass die Temperatur des Schmiedewerkzeugs hoch genug ist, wobei zugleich die Handhabungszeit für die Verlagerung des Einzelstücks aus dem für das Lösungsglühen verwendeten Ofen in das Schmiedewerkzeug, für das Schmieden selbst, und für das Verlagern des geschmiedeten Bauteils aus dem Schmiedewerk zu einer Abschreckstation kurz und vorzugsweise konstant ist, da sonst erhebliche Ausscheidungsprozesse von Magnesium und Silizium, sowie erhebliche Eigenschaftsänderungen zu erwarten sind. Die Zeitskala für die Handhabung bemisst sich daher nach der Kinetik der Ausscheidungsprozesse von Magnesium und Silizium und wird auf diese derart abgestimmt, dass es nicht zu einer erheblichen, die Eigenschaften des Bauteils beeinträchtigenden Ausscheidung von Magnesium und Silizium oder anderen spezifischen Legierungsbestandteilen kommt.
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Es zeigt sich, dass es mittels des Verfahrens möglich ist, in reproduzierbarer Weise ein Bauteil für ein Kraftfahrzeug auf Basis einer Aluminium-Knetlegierung herzustellen, welches zugleich leicht und mechanisch hochbelastbar ist.
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Das Abschrecken des vorverdichteten Stranggussmaterials, insbesondere eines vorverdichteten Walzprofils, und/oder das Abschrecken des Bauteils nach dem Warmschmieden erfolgt bevorzugt in Wasser, wobei ein Eintauchen in Wasser, ein Begießen mit Wasser und/oder ein Besprühen mit einem Wasser-Nebel möglich ist. Bei einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens ist es auch möglich, das Abschrecken mit Luft, insbesondere mit temperierter oder untemperierter Luft zu bewirken.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Ausscheidungshärten an Luft.
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Im Rahmen des Verfahrens wird vorzugsweise eine Schmelze einer Aluminium-Legierung der Serie 6xxx bereitet.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Stranggussmasse beim ersten Lösungsglühen auf eine Temperatur von mindestens 450°C bis höchstens 570°C geheizt wird. Dabei ist die beim Umformen entstehende Reibungswärme zu berücksichtigen. Vorzugsweise wird die Stranggussmasse beim ersten Lösungsglühen auf eine Temperatur von mindestens 480°C bis höchstens 540°C geheizt. In den genannten Temperaturbereichen gehen die insbesondere beim Abkühlen der Schmelze aufgetretenen Ausscheidungen von Silizium und Magnesium wieder in Lösung. Dabei wird die Temperatur beim ersten Lösungsglühen – insbesondere legierungsspezifisch und entsprechend dem Ausscheidungsverhalten – vorzugsweise für mindestens 30 Minuten bis höchstens 60 Minuten auf einem Wert innerhalb eines der genannten Bereiche gehalten. Dies gewährleistet ein effektives In-Lösung-Gehen der Ausscheidungen von Silizium und Magnesium.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Stranggussmasse für das erste Lösungsglühen auf die hierfür vorgesehene Temperatur über einen Zeitraum von mindestens 1,5 Stunden bis höchstens 2 Stunden aufgeheizt wird. Die Aufheizzeit auf den für das erste Lösungsglühen gewählten Temperaturwert beträgt also bevorzugt mindestens 1,5 Stunden bis höchstens 2 Stunden. Es erfolgt somit eine relativ homogene Aufheizung, durch welche das In-Lösung-Gehen der Ausscheidungen von Silizium und Magnesium unterstützt wird. Wie bereits angedeutet, bewirkt die rasche Abkühlung nach dem ersten Lösungsglühen, dass das beim Lösungsglühen eingestellte und vorzugsweise durch die Vorverdichtung verdichtete und ausgerichtete, feinkörnige Gefüge eingefroren wird.
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Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Stranggussmasse beim Strangpressen oder Walzen so verdichtet wird, dass ein runder Querschnitt gebildet wird. Alternativ ist es möglich, dass ein flacher oder mehreckiger Querschnitt gebildet wird. Die Querschnittsfläche der Stranggussmasse wird also beim Vorverdichten nicht einfach nur verkleinert, sondern auch in vorherbestimmter Weise vorgeformt, wobei der resultierende, kleinere Querschnitt rund, mehreckig, oder auch flach sein kann.
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Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei welcher das Bauteil nach dem Warmschmieden einem dritten Lösungsglühen unterzogen wird. Mithilfe des dritten Lösungsglühens ist es möglich, Ausscheidungen von Silizium und Magnesium zu bereinigen, die während der Handhabung des Einzelstücks nach dem zweiten Lösungsglühen aus dem Ofen in das Schmiedewerkzeug, dem Schmieden selbst, und der Verlagerung aus dem Schmiedewerkzeug zu der Abschreckstation, aufgetreten sind. Dabei geht insbesondere beim Schmieden eine relevante Wärmemenge aus dem Einzelstück in das Werkzeug über, wobei durch die Schmiedekraft eine hohe Wärmeleitung von dem Einzelstück in das Werkzeug gegeben ist. Es kommt so zu einer Temperaturabsenkung des Einzelstücks und daher zu Ausscheidungen, insbesondere von Silizium und Magnesium. Diese Überlegung zeigt auch, dass es von Bedeutung sein kann, die Werkzeugtemperatur für das Schmiedewerkzeug entsprechend hoch und bevorzugt gleichmäßig zu wählen, um den Wärmeübergang von dem Einzelstück auf das Schmiedewerkzeug zu verringern.
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Zum Warmschmieden wird – insbesondere je nach Kontur des Bauteil oder des Einzelstücks – das Einzelstück vorzugsweise mindestens 20 Minuten bis höchstens 60 Minuten auf einer Temperatur von mindestens 500°C bis höchstens 570°C gehalten. Die Werkzeugtemperatur beim Warmschmiden beträgt bevorzugt von mindestens 200°C bis höchstens 350°C. Beim Warmschmieden wird vorzugsweise eine Schmiedeendtemperatur von mehr als 480°C erreicht.
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Entsprechend beträgt bevorzugt auch die Eingangstemperatur für den Abschreckvorgang nach dem Warmschmieden mehr als 480°C. Als Medium für das Abschrecken kommen insbesondere je nach Legierungs- und/oder Bauteilanforderungen Luft, Wasser und/oder ein Wasser-Nebel in Frage. Dabei hat das für die Abschreckung gewählte Medium – insbesondere verzugsbedingt – bevorzugt eine Temperatur von mindestens 20°C bis höchstens 40°C.
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Vorzugsweise wird die Temperatur für das dritte Lösungsglühen bei einem Wert von mindestens 500°C bis höchstens 570°C gewählt. Beim dritten Lösungsglühen wird das Bauteil vorzugsweise für mindestens 15 Minuten bis höchstens 60 Minuten auf dieser Temperatur gehalten. Alternativ ist es möglich, dass die gesamte Zeit für das dritte Lösungsglühen einschließlich einer Aufheizzeit mindestens 15 Minuten bis höchstens 60 Minuten beträgt.
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Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das Bauteil nach dem Warmschmieden oder gegebenenfalls nach dem dritten Lösungsglühen – insbesondere je nach Eigenschaftsanforderungen – mit einer Abschreckintensität von mindestens 20 K/s bis höchstens 1.000 K/s abgeschreckt wird. Bevorzugt beträgt die Abschreckintensität 500 K/s.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens liegt die Prozessdauer des Abschreckens bei einem dünnwandigen Bauteil, welches eine Wandstärke von ungefähr 1 mm bis ungefähr 4 mm aufweist, bei 5 bis 10 Sekunden, bei einem dicken Teil, welches eine Stärke von ungefähr 40 mm aufweist, dagegen bei bis zu einer Minute.
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Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das Bauteil einer Warmauslagerung unterzogen wird, die in einem Zwischenbereich zwischen einem T6- und einem T7-Warmauslagerungszustand angeordnet ist. In diesem Bereich bilden die Duktilitätskurve und die Festigkeitskurve ein gemeinsames oder einstellbares Optimum. Das heißt, dass weder die Duktilität noch die Festigkeit für sich am größten ist, wobei jedoch in der Gesamtbetrachtung die bestmögliche Festigkeit bei bestmöglicher Duktilität erreicht wird. Die Warmauslagerung wird also insbesondere derart geführt oder abgestimmt, dass insgesamt für das Bauteil eine bestmögliche Festigkeit bei zugleich bestmöglicher Duktilität erreicht wird.
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Die Warmauslagerung erfolgt bevorzugt in einem Temperaturbereich von mindestens 160°C bis höchstens 260°C. Dabei beträgt die Dauer der Warmauslagerung bevorzugt von mindestens 30 Minuten bis höchstens 120 Minuten.
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Bei einer Ausführungsform des Verfahrens liegt die Temperatur für die Warmauslagerung im Bereich der Temperatur, die bei einer kathodischen Tauchlackierung (KTL) einer Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur erreicht wird, mithin im Bereich der KTL-Lackierungswärme. Dies hat den Vorteil, dass sich für das Bauteil bei einer späteren kathodischen Tauchlackierung keine Eigenschaftsänderungen mehr ergeben.
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Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das Bauteil beim Warmauslagern in zumindest einem Bereich lokal abgekühlt wird. Hierdurch ist es möglich, verschiedene Festigkeiten an dem Bauteil gezielt einzustellen, und dieses so weiter bedarfsgerecht auf die spätere Verwendung und die zu erwartenden mechanischen Beanspruchungen maßzuschneidern. Die lokale Abkühlung kann beispielsweise durch lokales Beaufschlagen mit einem Kühlmedium, insbesondere mit Wasser, Luft und/oder einem Wassernebel, bewirkt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, eine lokale Abkühlung durch gezielte Wahl einer Auflagestelle des Bauteils zu erreichen, wo sich insoweit ein erhöhter Wärmeabfluss über eine Kontaktfläche ergibt.
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Schließlich wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei welcher das Bauteil insbesondere je nach Schrumpfungsverhalten – vorzugsweise nach dem Warmauslagern – noch einem Richtprozess unterzogen wird. Dies wird vorzugsweise angewandt, wenn beim Abschrecken des Bauteils Verzüge entstanden sind. Allerdings ist es alternativ oder zusätzlich möglich, Verzüge durch entsprechendes Vorhalten der Werkzeuggeometrie beim Warmschmieden zu kompensieren, sodass ein Richtprozess im optimalen Fall vollständig entfallen kann.
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Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe des Verfahrens insbesondere flächige, dünnwandige Bauteile aus Aluminium-Knetlegierungen mit gezielter Variation der Wandstärke und Funktionalität bei zugleich gezielter und beanspruchungsgerechter Einstellung der Bauteileigenschaften, insbesondere einer Dehnung, Festigkeit, und/oder Duktilität für hochfeste Bauteile und/oder für Aufprallbeanspruchungen, herstellbar sind. Dabei können insbesondere aufgrund der Prozessführung deutlich höhere Festigkeiten und/oder Dehnungen als bei kaltumgeformten Teilen erzielt werden. Zugleich entstehen höchstens minimale Eigenspannungen, sodass verzugsbedingte Geometrieabweichungen reduziert werden. Mithilfe des Verfahrens ist es ohne weiteres möglich, auch innerhalb des Bauteils verschiedene Anforderungen einzustellen.
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Mithilfe des Verfahrens sind insbesondere dünnwandige Bauteile mit einer Wandstärke von mindestens 1,5 mm bis höchstens 6 mm, sowie auch Bauteile mit starkem Wandstärkensprung zwischen mindestens 1,5 mm bis höchstens 20 mm durch den Warmumformprozess mit anschließender prozessintegrierter Wärmebehandlung aus Leichtmetall herstellbar. Im Rahmen der Verfahrens ergibt sich eine deutlich höhere Gestaltungsfreiheit der Bauteile gegenüber kaltumgeformten Teilen, sowie eine Verbesserung der Bauteilqualität durch verringerte verfestigungsbedingte Eigenspannungen aus dem Umformprozess. Eigenschaftsprofile der herzustellenden Bauteile können durch Prozessvariation und nicht nur durch Variation von Vormaterialabmessungen und/oder der Zusammensetzung des Vormaterials eingestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011118014 A1 [0003]