Giessen-Schmieden von Knetleqierunqen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken aus Leichtmetall, insbesondere Aluminium und Aluminiumlegierungen, und hierbei speziell Aluminium-Knetlegierungen. Weiter bezieht sich die Erfindung auch auf ein mit diesem Verfahren hergestelltes Werkstück.

Stand der Technik

Insbesondere im Automobilbau wird zunehmend Wert auf Leichtbau gelegt, um den Kraftstoffverbrauch zu minimieren und damit die CC>2~Emissionen unter die immer strenger werdenden Grenzwerte abzusenken. Werkstücke aus Leichtmetall und insbesondere aus Aluminiumlegierungen erfüllen hierbei in hohem Maße die notwendigen Gewichtskriterien, da sie 50% bis zu zwei Drittel weniger als Eisenlegierungen wiegen. Zur Herstellung solcher Werkstücke, die zum Beispiel als Fahrwerksteile Einsatz finden, sind im Wesentlichen zwei verschiedene Verfahren bekannt, nämlich zum Einen das Giessen von Aluminium- Gusslegierungen und zum Anderen das Schmieden von Aluminium- Knetlegierungen .

Beim klassischen Giessen wird eine Gusslegierung wie zum Beispiel AlSi7Mg geschmolzen und in eine Kokille gegossen, die bereits die Form des erwünschten Endprodukts hat. Das Giessen ist ein relativ kostengünstiges Verfahren, hat jedoch den Nachteil, dass die Werkstücke nicht die mechanischen Eigenschaften (Festigkeit, Dehnung) besitzen, die von der Industrie beispielsweise für hochbeanspruchte Sicherheitsfahrwerksteile wie Querlenker und Schwenklager gefordert werden. Auch ist die beim Giessen auftretende Porosität des Materials ein weiterer Grund für die ungenügenden mechanischen Eigenschaften.

Ein demgegenüber verbessertes Verfahren zur Herstellung von Fahrwerksteilen ist das sog. „Squeeze Casting", bei dem relativ porenarme Gussteile hergestellt werden können. Allerdings werden auch hier klassische Gusslegierungen z.B. des Typs AlSi7Mg verwendet, so dass nur mechanische Eigenschaften erzielt werden, die jenen des klassischen Giessen vergleichbar sind.

Geschmiedete Werkstucke aus Aluminium-Knetlegierungen hingegen besitzen hervorragende mechanische Eigenschaften und werden deshalb seitens der Automobilhersteller für Fahrwerksteile, die hohen Beanspruchungen unterliegen, eingesetzt. Im Vergleich zu Gusswerkstucken sind geschmiedete Werkstucke jedoch ungleich teurer, was auf die an sich aufwendigere Herstellung zurückzuführen ist, d.h. auf die hohe Zahl der Fertigungsschritte beim Schmieden mit entsprechend hohem Energieverbrauch .

Seit Anfang der 90er Jahre wurde des Weiteren verstärkt das sog. „Thixocasting" erforscht, mit dem sowohl Guss- als auch Knetlegierungen verarbeitet werden können und das mit letzteren ebenfalls sehr gute mechanische Eigenschaften erzielt. Aufgrund der sehr engen und damit sehr schwer beherrschbaren Prozessparameter dieses Verfahrens wurden jedoch die Versuche zur Serienproduktion größtenteils eingestellt .

Ein Ansatz zur überwindung der oben genannten, mit dem Schmieden zusammenhangenden Probleme wurde mit dem sog. COBAPRESS-Verfahren unternommen, das in der EP 0 119 365 beschrieben ist. Dieses Verfahren stellt eine Kombination aus Kokillengiessen mit anschließendem Schmieden unter Verwendung einer Gusslegierung - beispielsweise AlSi7Mg - dar, bei dem der Gussrohling nach Erstarrung aus der Gussform entformt und in ein Gesenk mit im Vergleich zur Gussform geringfügig kleineren Abmessungen platziert wird. Anschließend wird der Rohling zwischen den Gesenkhalften verpresst und zugerichtet,

wobei lediglich eine oberflächennahe Nachverdichtung des Werkstücks erfolgt. Die Gussform besitzt bereits eine endkonturnahe Geometrie. Obwohl hierbei die kosten- und zeitintensiven Verformschritte vor dem Schmieden nicht benötigt werden, können im Vergleich zu Gussteilen geringfügig bessere mechanische Eigenschaften erzielt werden.

Darstellung der Erfindung

Es ist demnach eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die im Stand der Technik vorhandenen Probleme zu überwinden und ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken aus Aluminiumlegierungen zu entwickeln, das einerseits hervorragende mechanische Eigenschaften sicherstellt und andererseits energiesparender, umweltfreundlicher und damit kostengünstiger ist als bekannte Technologien. Ebenfalls Aufgabe der Erfindung ist es, ein Werkstück zu entwickeln, das die zur Erzielung der extremen Belastungsanforderungen im Sicherheitsfahrwerksbereich benötigten mechanischen Eigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren, das die Merkmale des folgenden Anspruchs 1 besitzt, bzw. einem Werkstück, das die Merkmale des Anspruchs 13 besitzt, gelöst. Weitere bevorzugte und optionale Merkmale sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Werkstücken aus Aluminiumlegierung umfasst die Schritte des Giessens der Aluminiumlegierung in eine Gussform, das Entformen des Gussrohlings unmittelbar nach seiner Erstarrung aus der Gussform, und das Umformen (Schmieden) des Gussrohlings. Hierbei bedeutet der Begriff unmittelbar, dass der Gussrohling in der Gussform (Kokille) nicht wesentlich unter seine Solidus-Temperatur abgekühlt wird, so dass die Restwärme des Werkstücks für die nachfolgende Schmiedeumformung genutzt werden kann, aber nicht muss. Entscheidend ist auch, dass beim

Schritt des Umformens eine gezielte Gefügebeeinflussung durch eine über den Umformgrad gesteuerte Rekristallisierung im Werkstoff stattfindet. Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens können Werkstücke aus Aluminiumlegierungen hergestellt werden, welche die mechanischen Eigenschaften eines Schmiedeteils besitzen, wobei jedoch auf die im herkömmlichen Schmiedeprozess notwendigen Vorstufen wie Stranggiessen, Strangpressen sowie die weiteren, eingangs genannten Vorformstufen wie z.B. Stauchen, Reckwalzen oder Querwalzen verzichtet werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst somit die geringstmögliche Zahl an Prozessstufen inklusive Erwärmungsprozesse, um zu einem Werkstoff aus Aluminiumlegierung mit den hohen mechanischen Kennwerten zu gelangen, die beispielsweise für moderne hochbelastete Fahrwerksteile benötigt werden. Dadurch können bedeutende Energie-, Prozess- und Materialkosten gespart werden, was neben dem Kostenvorteil auch eine erhebliche geringere Umweltbelastung darstellt.

Die Gussform (Kokille) , in welche die Aluminiumlegierung gegossen wird, kann eine geschlossene Kokille oder auch eine Formmasselkokille sein, die teilweise oder vollständig aus thermoschockbeständigem Graphit besteht. Hierbei kann eine partielle Kühlung sowie eine Thermoschutzhaube bzw. eine beheizbare Abdeckung, bevorzugt mit Schutzgas, vorgesehen werden .

Bevorzugt erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Schmieden und Umformen im Wesentlichen isotherm, d.h. mit der Restwärme des Gussrohlings. Dadurch kann weitere Energie gespart und somit die Prozesskosten gesenkt sowie die Umwelt entlastet werden.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann das Werkstück vor dem Schmieden und Umformen zwischenerwärmt werden, beispielsweise auf eine bestimmte Temperatur im Bereich von 450-550°C. Durch das Zwischenerwärmen wird es möglich, ein

Temperaturfenster von +/- 5°C einzuhalten, was eine höhere Prozesssicherheit gewährleistet.

Ebenfalls ist es vorteilhaft, dass das Giessen ein Niederdruckkokillengiessverfahren ist. Hierbei kann der Druck bis zu 4 bar betragen. Beim Niederdruckkokillengiessen bildet sich eine ruhige Zone im Schmelzbad aus, so dass sich beim Aufsteigen der Schmelze in der Form keine Gaseinschlüsse ausbilden. Dies führt wiederum zu einer geringern Porosität und dadurch zu einer höheren Produktqualität des Werkstücks. Außerdem ermöglicht das Niederdruckkokillengiessen eine direkte Nachspeisung durch das Ofenvolumen, so dass der Materialverbrauch gesenkt werden kann.

Es ist des Weiteren vorteilhaft, dass das Giessen in einer endkonturnahen, aber beliebig variierbaren Form erfolgt. Auf diese Weise können die im nachfolgenden Schmieden notwendigen Umformgrade gezielt eingestellt werden.

Besonders bevorzugt ist die Aluminiumlegierung eine Aluminiumknetlegierung, insbesondere eine AlMgSiI- oder AlMgSilCu-Legierung. Mit dieser Knetlegierung können durch das erfindungsgemäße Verfahren Werkstücke mit besonders guten mechanischen Eigenschaften, insbesondere mit hoher Festigkeit und Dehnbarkeit, erzielt werden.

Es ist zudem vorteilhaft, wenn die Entformung bei Schmiedetemperatur erfolgt. So kann auf eine zusätzliche Zwischenerwärmung verzichtet werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die Abkühlgeschwindigkeit des Gussrohlings mindestens 3 K/s. Somit lassen sich eine sehr gute Gefügeausbildung, eine bessere Umformbarkeit und insgesamt verbesserte Materialeigenschaften erzielen.

In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden in das Werkstück vor dem Schmieden Anbaukomponenten eingegossen. Dadurch lassen sich auf besonders kostengünstige Weise kombinierte Bauteile herstellen, die an unterschiedlichen Stellen unterschiedlichen Belastungen unterliegen. Diese Anbaukomponenten oder Eingiessteile können auch aus verschiedenen Materialien bestehen. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, den Gussrohling nur partiell zu schmieden und den Rest des Werkstücks in einer Gussstruktur auszuführen. Somit ist man in der Lage, Gewicht und damit Kosten zu sparen und ein gezieltes Eigenschaftsprofil zu erreichen.

Es ist weiter besonders vorteilhaft, den bei dem Verfahren anfallenden Materialüberschuss und/oder Ausschussteile einem dem Giessvorgang vorgeschalteten Schmelzprozess zuzuführen. Auf diese Weise wird ein Kreislaufprozess erhalten, der den bereits aufgrund der nicht benötigten Vorformstufen geringen Materialeinsatz weiter minimiert.

Das erfindungsgemäße Werkstück besteht aus einer AlMgSiI- oder AlMgSilCu-Legierung und ist mit dem beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt, wobei dessen Zugfestigkeit Rm mindestens 360 bis 420 MPa, dessen Dehngrenze RpO, 2 mindestens 330 bis 380 MPa und dessen Bruchdehnung mehr als 10% beträgt. Mit diesen Eigenschaften eignet sich das Werkstück besonders gut für hochbelastete Leichtbau- und Kraftfahrzeugkomponenten, erlaubt jedoch im Vergleich zu herkömmlichen Aluminium-Schmiedeteilen erhebliche Kostensenkungen. Bevorzugt ist das Werkstück hierbei ein Sicherheitsfahrwerksteil .