Kraftfahrzeug-Fahrwerkteilen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von auf Zug, Druck und Torsion beanspruchbaren Kfz -Fahrwerksteilen mit über den jeweiligen Querschnitt einstellbarer mechanischer Festigkeit, einer hohen Duktilität und Temperaturstabilität, aus einer AlSiZnMg- Legierung durch Kokillenguss .

Es ist bekannt, hochbeanspruchte Fahrwerksteile aus warmaushärtenden Legierungen durch Schwerkraft- oder Nieder- druckguss herzustellen. Zu den warmaushärtenden Legierungen zählen beispielsweise G-AlSil2, G-AlSilOMg, G-AlSi5Mg, G-A13Si sowie kupferhaltige Legierungen, die zusätzlich auch Titan, Magnesium, Nickel, oder Nickel und Magnesium enthalten können.

Die Wärmebehandlung hängt von der jeweiligen Legierung ab. Beispielsweise wird die G-AlSilOMg bei 520 bis 530°C lösungsgeglüht und nach einer Lösungsglühdauer von 3 bis 5 Stunden in Wasser von 20°C abgeschreckt. Die Warmauslagerung erfolgt bei Temperaturen zwischen 160 und 165°C für 8 bis 10 Stunden. Genaue Angaben über die Wärmebehandlung von Gussstücken finden sich im Kapitel 7.8 auf den Seiten 429 ff. des Aluminiumtaschenbuches, 14. Auflage, für die jeweiligen Legierungen.

Die nach dem Gießprozess durchzuführende mehrstufige Wärmebehandlung ist zeit- und kostenaufwendig. Der Erfolg der Wärmebehandlung hängt vom genauen Einhalten der Behandlungsvorschriften ab und die jeweils verwendeten Glühöfen dürfen nur eine sehr geringe räumliche Schwankung der Temperatur zulassen. Da die Bedingungen für das Aushärten immer für das gesamte Bauteil gelten, kann das Gefüge nicht optimal an die über den Querschnitt variierende Beanspruchung der Fahrwerksteile angepasst werden. Normalerweise müssen folgende Mindestwerte für die mechanische Festigkeit erreicht werden:

Streckgrenze größer 160 MPa und Dehnung A größer 5%.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren sowie eine für die Durchführung geeignete Gießeinrichtung vorzuschlagen, die es ermöglichen, mit einer kaltaushärtenden Legierung vom Typ

AlSiZnMg hochbeanspruchbare Fahrwerksteile mit über den jeweiligen Querschnitt einstellbaren mechanischen Festigkeitswerten, hoher Duktilität und Temperaturstabilität sowie einer geringen Porosität herzustellen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 5 vorgeschlagen. Bevorzugte Ausführungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 4 dargestellt, während die Vorrichtungsansprüche 6 bis 12 bevorzugte Weiterbildungen des Vorrichtungsanspruchs 5 zeigen.

Demzufolge betrifft das vorliegende Verfahren zur Herstellung von auf Zug-Druck und Torsion beanspruchbaren Kfz- Fahrwerksteilen die Beeinflussung der mechanischen Festigkeit, der Duktilität und der Temperaturstabilität eines aus einer AlSiZnMg-Legierung hergestellten Gussteiles.

Dabei wird erfindungsgemäß eine Aluminiumlegierung mit (in Gew.%)

Si 5 -11 %

Zn 4 - 9 % Mg 0,2 - 1,0 %

Sr 60 - 500 ppm

sowie wahlweise mindestens einem der folgenden Elemente

Mo 0,01 - 0,15 %

B 0,001 - 0,010 %

und maximal

Zr 0,15 %

Ti 0,15 %

Fe 0,30 %

Cu 0,10 %

sowie weiteren Verunreinigungen

einzeln bis zu 0,07 %

insgesamt bis zu 0,15 % in einer segmentierten, schalenförmig der Kontur des Fahr- werksteiles angepassten Kokille vergossen, wobei die einzelnen Segmente der Kokille in einer punktförmig bis flächig ausgebildeten Zone gekühlt oder beheizt werden und dabei ein interdendritisches, eutektisches Mischkristallgefü- ge erzeugt wird, bestehend aus AI- Mischkristallen und Al- Si-Eutektikum mit kohärenten Phasen, gebildet durch Ausscheidungen von MgZn ₂ und/oder Mg ₃ Zn ₃ Al ₂ , und dann unmittelbar nach der Erstarrung das Gussteil der Form entnommen und kaltausgehärtet wird.

Vorzugsweise beträgt das Massenverhältnis

Kokille/Fahrwerksteile gleich 0,9 - 1,2 und die eutektische Schmelze wird mit einer Abkühlrate von 0,01 bis 10° C/s zur Erzielung einer breiartigen Erstarrung mit interdendritisch im AlSi-Eutektikum verteilten intermetallischen Phasen in der Kokillenschale intermittierend gekühlt oder beheizt, wobei das AlSiZnMg-Mischkristallgefüge in jedem Querschnitt des Fahrwerksteiles homogen und identisch ausgebildet wird.

Zur Kornfeinung der Schmelze kann vorteilhaft B und/ oder Ti in Form von A1B ₂ , Al ₃ Ti und AlTiC zugesetzt und durch eine Schmelzebehandlung (Entgasung) ein Dichteindex von kleiner 10 % eingestellt werden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Schmelze von unten aufsteigend (Niederdruckkokille) oder von oben fallend (Schwerkraftkokille) in die schalenförmige Kokille eingefüllt, wobei die Kokillenwand während der Füllphase eine Temperatur von 350 bis 410° C aufweist und die Schmelze selektiv und intermittierend mit einer Abkühlrate von 5 bis 10° C/s an den Zug-/Druck-belasteten Querschnitten bis zur vollständigen Erstarrung abgeschreckt wird, während die duktilen Bereiche des Fahrwerksteils mit einer Abkühlrate von 0,1 bis 4 C/s abgekühlt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von hoch- beanspruchbaren Fahrwerksteilen aus einer AlSiZnMg- Legierung besteht aus einem Stahlgrundrahmen 1, einem oder mehreren Formsegmenten 2, 3, einem Auswerfersystem und dem Gießsystem, ferner einer Temperatursteuerung für die Formsegmente in Verbindung mit einer Wasser- oder Luftkühlung sowie einer Beheizung, Formsegmenten 2, 3 aus Kokillenschalen mit dünn- und dickwandigen Bereichen, die schwimmend auf dem Grundrahmen 1 gelagert sind, wobei die dickwandigen Bereiche als Auflager für die Formsegmente auf dem Grundrahmen ausgebildet sind, wobei in den dünnwandigen Bereichen Spannbolzen zur punktuellen Verspannung der Formsegmente mit dem Grundrahmen angeordnet sind. Zur Kühlung der Formsegmente sind auf punktförmig bis flächig ausgebildeten Zonen Wasseranschlüsse oder Luftanschlüsse vorgesehen, wobei die örtliche Temperaturverteilung über Thermofühler erfassbar ist und die jeweilige thermische Spannung in den Formsegmenten über die Spannbolzen kompensiert wird.

Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass die Auflager in den Randbereichen der Formsegmente (2, 3) angeordnet und mit je einer Zentrierung und einer Gleitfläche versehen sind, die mit einer entsprechend geformten Gegenfläche auf dem Stahlrahmen (1) korrespondiert .

Im Konturbereich der Kokillenschale werden Auswerfer neben der Gussteilentformung auch zur Entlüftung und im Bedarfsfall zur Kühlung des Formhohlraumes angeordnet.

Die Kokille kann über Schlitzdüsen und Entlüftungseinsätze 13-16 entlüftet werden, wobei vorzugsweise im Bereich von Kernmarken oder Kerneinsätzen bzw. Einlegeteilen eine Absaugung der Kerngase über entsprechende Anschlüsse erfolgt.

Vorteilhafterweise sind die punktförmig bis flächig ausgebildeten Zonen mit besonderen Kühleinrichtungen wie Stichkühlung oder Plattenkühlung versehen, wobei die punktförmigen Flächen - bezogen auf den Durchmesser - im Bereich von 10 bis 40 mm, vorzugsweise 15 - 25 mm liegen und die flächigen Zonen im Bereich von 1000 - 50000 mm ² ausgebildet sind.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 : Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung

Figur 2 : Teilquerschnitt im Randbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Figur 1

Figur 3: Teilquerschnitt im mittleren Bereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Figur 1

Figur 4: Perspektivische Ansicht einer Kühleinrichtung für die flächige Kühlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung Figur 5: Teilquerschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Bereich eines Temperaturfühlers

Figur 6: Teilquerschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Bereich einer Stichkühlung

Figuren 7 bis 9: Drei Varianten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bereich einer Luftkühlung

Figur 10: Teilquerschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bereich einer Entlüftung

Figur 11: Perspektivische Ansicht eines Entlüftungseinsatzes für die erfindungsgemäße Vorrichtung

Figuren 12 - 14: Verschiedene Varianten der erfindungsgemäßen Entlüftung

Figuren 15 - 17: Fließhilfen und Riffelungen der Kokillenwand gemäß vorliegender Erfindung

Figuren 18 - 19 : Gestaltung und Anordnung der Auswerfer in der Kokille

Figur 1 zeigt den Grundaufbau einer segmentierten Kokille für die Herstellung von auf Zug-Druck und Torsion

beanspruchbaren Kfz -Fahrwerksteilen ohne Kühl- bzw. Heizeinrichtung. Die segmentierte, schalenförmig der Kontur eines Fahrwerksteils angepasste Kokille besteht aus einem Grundrahmen 1, Formsegmenten 2, 3 und Auflager 20, 30 zur Abstützung der Formsegmente gegenüber der Grundplatte 1. Seitlich von einem Einsatz 4, der vorzugsweise aus einer hochbelastbaren Speziallegierung auf Wolfram-Nickelbasis besteht, sind Spannbolzen 12.1 und 12.2 angeordnet, die die Formsegmente 2, 3 mit der Grundplatte 1 verbinden.

Gemäß Figur 1 weisen die Formsegmente 2, 3 dünn- und dickwandige Bereiche auf, wobei die dickwandigen Bereiche im Beispiel gemäß Figur 1 als Auflager 20, 30 ausgebildet sind. Eine genauere Darstellung dieses Auflagerbereiches ist dem Teilquerschnitt gemäß Figur 2 zu entnehmen.

Wie in Figur 2 dargestellt, wird der obere Teil des Auflagers 20 durch eine Gleitfläche 21 gebildet, die auf einem Gleitstück 23 angeordnet ist, welches kraftschlüssig mit dem Formsegment verbunden ist. Zur Zentrierung der Formsegmente auf der Grundplatte wird je ein Führungszapfen 22 mit dem Gleitstück 23 verbunden.

Diese Konstruktion ermöglicht es, dass bei auftretenden thermischen Spannungen eine Führung der Formsegmente im Grundrahmen gewährleistet ist und andererseits unzulässige Verformungen durch eine Vorspannung der Spannbolzen 12.1 bzw. 12.2. kompensiert werden können.

Die vorstehend beschriebene konstruktive Gestaltung der Formsegmente ist erforderlich, damit diese schwimmend auf dem Grundrahmen 1 gelagert werden können. Die Formsegmente sind dabei als sogenannte Kokillenschale ausgelegt, wobei die Oberfläche des Gussstücks konturfolgend zur Rückseite aufgedickt ist. Die Wandstärken liegen im Bereich von 28 - 30 mm in den dünnen Bereichen, so dass hier die einzelnen Segmente der Kokille gezielt gekühlt oder beheizt werden können, um das gewünschte interdendritische, eutektische Mischkristallgefüge erzeugen zu können, das aus Al- Mischkristallen und AlSi-Eutektikun mit kohärenten Phasen besteht. In speziellen Bereichen, in denen eine besonders kurze Aufwärm- bzw. Abkühlzeit vorgesehen ist, werden die Wandstärken der segmentierten Kokille 10 bis 20 mm reduziert .

Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass die Segmente in einer punktförmig bis flächig ausgebildeten Zone gekühlt oder beheizt werden können. Hierzu ist in Figur 3 ein Beispiel für eine punktuelle Kühlung durch eine Stichkühlung 8 und für eine flächig ausgebildete Kühlung durch Kühlluftkanal 9 gegeben. Für größere Kühlflächen, die gleichmäßig mit hoher Kühlleistung gekühlt werden sollen, kann die in Figur 4 dargestellte Kühleinrichtung in Form einer Kühlplatte 10 verwendet werden.

Die örtliche Temperaturenverteilung in den Formsegmenten lässt sich mittels Temperaturfühler 11 feststellen, wobei diese vorzugsweise mit einem Rechner (nicht dargestellt) verbunden sind, der über eine integrierte Prozessüberwachung die Einhaltung der vorgegebenen Kühl- bzw. Heizphasen überwacht und entsprechende Korrekturen bei Abweichung von den Sollwerten durchführt.

Figur 6 zeigt einen weiteren Teilquerschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung im Bereich der Stichkühlung 8. Dabei wird in den zu kühlenden Bereich des Formsegmentes 2 ein Kühlrohr 8.1 eingeführt und das Kühlmedium über An- schluss 8.2 eingeleitet. Die Kühlwirkung kann beispielsweise über die Menge und die Kühldauer des Kühlmittels gesteuert werden. Hierzu kann der Zufluss des Kühlmittels mittels Ventil bzw. der Abfluss mittels Drossel beeinflusst werden. Ziel dieser Maßnahme ist es, die mechanischen Kennwerte, die für die jeweiligen Fahrwerksteile benötigt werden, ge- zielt durch Steuerung des Erstarrungsprozesses zu beeinflussen.

Für eine sanfte Kühlwirkung wird Luftkühlung eingesetzt, wobei gemäß Figur 7 und 8 verschiedene Varianten von Druckluftrohren einsetzbar sind. So ist in Figur 7 ein Druck- luftrohr 6.1 mit vielen Luftaustrittsöffnungen 6.2 dargestellt, die gegen die Formwand der Formsegmente 2 gerichtet sind. Gemäß Figur 8 können auch mehrere parallel angeordnete Druckluftendrohre mit einem Zentralrohr 6.4 verbunden werden. Damit vergrößert sich die wirksame Kühlfläche, die gemäß Figur 8 aus einem verdickten Ende des Formsegmentes 3 besteht .

Mit den vorher erwähnten Maßnahmen kann nach dem Eingießen der Schmelze ein interdendritisches, eutektisches Misch- kristallgefüge erzeugt werden, bestehend aus Al- Mischkristallen und AlSi-Eutektikum mit kohärenten Phasen, gebildet durch Ausscheidungen von MgZn ₂ und/oder Mg ₃ Zn ₃ Al ₂ .

Für eine sanfte Kühlwirkung wird die Luftkühlung gemäß Figur 9 als Tümpelkühlung eingesetzt. Hierbei kann um den Gießtümpel ein gebogenes Kühlrohr gelegt werden, damit die Abkühlung der Restschmelze, mit dem Ziel der Steuerung der Zykluszeit, im Einguss gezielt beeinflusst werden kann.

Untersuchungen haben gezeigt, dass die mechanischen Eigenschaften ein Optimum erreichen, wenn das Massenverhältnis Kokille zu Fahrwerksteil vorzugsweise 0,9 bis 1,2 beträgt und die eutektische Schmelze mit einer Abkühlrate von 0,01 bis 10 °C pro Sekunde intermittierend gekühlt und beheizt wird. Dabei werden die von den Thermofühlern gelieferten Daten in einer Prozesssteuerung als Regelgröße für eine optimale Erstarrung verwendet. Nach Patterson und Engler gibt es fünf verschiedene Erstarrungstypen, wobei sich je nach LegierungsZusammensetzung und Abkühlungsbedingungen unterschiedliche Gefügestrukturen von stängelig-rauwandig bis dendritisch-vernetzt ausbilden.

Erfindungsgemäß wurde festgestellt, dass bei einer breiartigen Erstarrung der Schmelze mit interdendritisch im AlSi- Eutektikum verteilten intermetallischen Phasen die besten mechanischen Festigkeitswerte erreicht werden, wobei das AlSiZnMg-Mischkristallgefüge in jedem Querschnitt des Fahr- werksteils nach den vorgegebenen Abkühlungsbedingungen homogen und identisch ausgebildet werden konnte.

Für das Erreichen einer hohen Gussgualität ist es weiterhin erforderlich, dass die Kokille effektiv entlüftet wird und Einschlüsse in den Gussteilen vermieden werden. Wie aus Figur 10 ersichtlich, ist erfindungsgemäß eine Formentlüftung, insbesondere zur Absaugung der Kerngase an den Kernwänden angeordnet. Diese besteht aus einem Entlüftungseinsatz 13, der mit einem Entlüftungsrohr 17 verbunden ist, das wiederum in einem Kernsatz 18 angeordnet ist. Der Effekt der Absaugung kann noch durch Vakuum oder mittels Ven- turi-Düsen zusätzlich verstärkt und beschleunigt werden.

Spezielle Varianten der vorliegenden Erfindung sehen gemäß den Figuren 11 - 14 Formentlüftungen durch Verwendung von Luftbändern 13, durch Rippenentlüftung mit Schlitzdüsen 14, 15 oder durch Konturentlüftung mit Schlitzdüsen 16 vor.

In Verbindung mit einer Kornfeinung der Schmelze durch Bor und/oder Titan in Form von AlB ₂ , Al ₃ Ti und AlTiC kann ein Dichteindex von kleiner 10 % eingestellt werden. Gemäß einer Variante der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, die Schmelze von unten aufsteigend (Niederdruckkokille) oder von oben fallend (Schwerkraftkokille) in die schalenförmige Kokille einzufüllen, wobei die Kokillenwand während der Füllphase eine Temperatur von 350 bis 410 °C aufweist und die Schmelze selektiv und intermittierend mit einer Abkühlrate von 5 bis 10°C/s an den Zug-Druck- belasteten Querschnitten bis zur vollständigen Erstarrung abgeschreckt wird, während die duktilen Bereiche des Fahrwerkteils mit einer Abkühlrate von 0,1 bis 4°C/s abgekühlt werden. Dies gelingt in der Großserienfertigung nur, wenn bei der Konstruktion des Bauteiles Fließhilfen 30 und

Kreuzriffelungen 31 in der Kokillenwand vorgesehen werden gemäß den Figuren 15, 16, 17. Diese beschleunigen die Formfüllung, so dass die Erstarrung des Gussstückes unter jeweils konstanten Prozessbedingungen erfolgen kann. Üblicherweise werden die Fließhilfen und Riffelungen mit Kugel - fräsern des Durchmessers Rl und R0,5 gefertigt. Unmittelbar nach der Erstarrung wird das Gussteil aus der Form entfernt und kalt ausgehärtet. Das Ausstoßen des Gussstückes erfolgt mittels Auswerfern 5, die in Figur 18 mit Verschleißhülse dargestellt sind. Erfindungsgemäß werden die Auswerfer 5 gleichzeitig als Entlüftung über Entlüftungskanal 19 und zur partiellen Kühlung der Form verwendet. Vorzugsweise sind die Auswerfer 5 daher in speziell hierfür funktionell aufgedickten Bereichen der Kokillenschale 2 für eine wirksame Formkühlung angeordnet (siehe Figur 19) .

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass durch gezielte Erstarrung einer AISiZnMg-Legierung Fahrwerksteile mit hoher mechanischer Festigkeit (Streckgrenze größer 160 Mpa) und hervorragender Temperaturstabilität (130°C, 500 h) bei gleichzeitig guten Dehnungseigenschaften (A größer 5%) her- gestellt werden können. Das Korrosionsverhalten konnte durch ein besonders ausgebildetes Mischkristallgefüge positiv beeinflusst werden, da auch unter ungünstigen Bedingungen kein selektiver Korrosionsangriff erfolgte, sondern ein gleichmäßiger Flächenabtrag festgestellt wurde, der sich innerhalb der zulässigen Toleranzbreite hielt.

Der Dichteindex kleiner 10% wurde durch Behandlung der Schmelze mit Inertgasen oder Formiergasen (Stickstoff-/ Argon-Wasserstoffgemische) eingestellt. Die Teile waren lunkerarm, die Festigkeitswerte waren an allen Ecken und Querschnittsbereichen eines Fahrwerkteiles identisch. Die Oberflächengüte war hervorragend, da nur eine geringe Porosität auftrat .

Mittels der vorerwähnten Fließhilfen bzw. der Riffelung, wobei die Rillen etwa 0,5 mm tief und etwa 1 mm breit waren, gelingt es erfindungsgemäß, der Rissbildung entgegenzuwirken. Die Oberflächendichte konnte erhöht werden, wenn gleichzeitig eine wirksame Entlüftung durchgeführt wurde.