Verfahren zum Herstellen eines Kompositbauteils mit flüssigen oder teilflüssigen Werkstoffen

Abstract

 Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Bauteils in einer Form mittels eines Thixogießverfahrens oder einem anderen druckunterstützten Gießverfahren mit einem Gießwerkstoff ist die Anordnung derart getroffen, daß in der Form vor dem Thixogießen bzw. Gieß- oder Schmiedeprozeß eine offenporige Struktur hoher Festigkeit derart angeordnet wird, sich diese an wenigstens einer Seite an einem Widerlager abstützt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils in einer Form mittels eines Gießwerkstoffes, insbesondere mittels eines Thixogießverfahrens mit wenigstens einem teilflüssigen Werkstoff, mittels Thixoschmieden oder mittels eines druckunterstützten Gießens mit einem flüssigen Werkstoff, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Bei der Herstellung von Bauteilen mittels Gießverfahren ist es immer häufiger wünschenswert, lokale Bereiche des Bauteiles mit vorbestimmten Werkstoffeigenschaften zu versehen. So sollen beispielsweise Oberflächen des Bauteils eine hohe Reibfestigkeit oder bestimmte Schmiereigenschaften aufweisen, während der restliche Körper des Bauteils stattdessen besondere Eigenschaften zur Kraftweiterleitung aufweisen soll. Ein Sondergießverfahren aus der Klasse des "Semi-Solid-Metalforming" stellt das Thixogießen dar. Dieses mit dem Druckgießen verwandte Verfahren zeichnet sich durch die Besonderheit der Verarbeitung des Metalls in teilflüssigem Zustand aus. Aufgrund der für einen Umformprozeß völlig untypischen "Gießtemperatur" innerhalb des Erstarrungsintervalls bietet das Thixogießen ein Verfahrenspotential, das zwischen dem Umformen von Gießverfahren und dem Umformen durch Schmiedeprozesse eingeordnet werden kann.

[0003] Ein derartiges Thixogießverfahren ist beispielsweise in der DE 196 05 839 A1 veröffentlicht und erfüllt die Anforderungen, die an eine wirtschaftliche und innovative Fertigungstechnologie gestellt werden. Dazu zählen eine hohe Produktivität wie beim Druckgießen bei gleichzeitig sehr guten Bauteile-Eigenschaften. Die nach diesem Sondergießverfahren hergestellten Gußteile mit "Near-Net-Shape"-Qualität sind schweißbar, druckdicht und wärmebehandelbar. Ein typisches Anwendungsgebiet liegt in der Substitution hochwertiger Bauteile, die aufgrund hoher Anforderungen an die Werkstoffeigenschaften nicht druckgegossen werden können, sondem kostenintensiv geschmiedet oder kokillengegossen werden müssen. Zu den typischen Bauteilen zählen z.B. Bremszylinder, Teile der Kfz-Einspritzanlage, Kfz-Fahrwerksteile, Bremsscheiben oder Lagerbuchsen.

[0004] Der Verfahrensablauf des Thixogießens läßt sich dabei in drei Prozeßschritte unterteilen. Hierzu zählen die Herstellung eines speziellen Vormaterials, dessen Wedererwärmung in den teilflüssigen Zustand und die unmittelbar angeschlossene Formgebung durch einen modifizierten Druckgießprozeß. Jeder einzelne Schritt beinhaltet eine Vielzahl von Parametern, deren genaue Kontrolle und Steuerung für den Erfolg des Verfahrens von entscheidender Bedeutung sind.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren der o.g. Art zur Verfügung zu stellen, wobei gezielt lokale Eigenschaftsverbesserungen mittels der Herstellung eines Werkstoffverbundes während des Gießverfahrens zur Verfügung gestellt werden. Hierbei sollen insbesondere tribologische und mechanische Eigenschaften des Bauteils verbessert werden.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

[0007] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß in der Form vor einem Gießen oder Schmieden eine offenporige Struktur mit vorbestimmten Eigenschaften derart angeordnet wird, daß sich diese an wenigstens einer Seite an einem Widerlager abstützt.

[0008] Dies hat den Vorteil, daß die offenporige Struktur während des Thixogießverfahrens oder anderen druckunterstützten Gießverfahren durch entsprechend auftretende Drücke nicht zerstört sondern kontrolliert vom Gießwerkstoff infiltriert, benetzt und komprimiert wird. Dadurch lassen sich auf einfache, schnelle und gut kontrollierbare Weise Bauteile mit lokal vorbestimmten Werkstoffeigenschaften bzw. Werkstoffverbünden herstellen, wobei die offenporige Gitterstruktur eine entsprechende Werkstoffeigenschaft in einem entsprechenden Bereich vorbestimmt. Mittels der Infiltration der offenporigen Struktur durch den Gußwerkstoff erzielt man in vorteilhafter Weise einen Verbundwerkstoff mit den gewünschten lokal vorbestimmten Werkstoffeigenschaften. Zweckmäßigerweise betreffen dabei die lokal bestimmten Werkstoffeigenschaften eine Festigkeit, einen Härtegrad, eine Oberflächenbeschaffenheit, eine Legierungszusammensetzung, eine Porosität, eine Duktilität, eine Schmierwirkung, eine Leitfähigkeit und/oder eine Dichte.

[0009] In einer bevorzugten Ausführungsform weist dabei die offenporige Struktur eine hohe Festigkeit, einen vorbestimmten Härtegrad, eine vorbestimmte Oberflächenbeschaffenheit, eine vorbestimmte Legierungszusammensetzung, eine vorbestimmte Porösität, eine vorbestimmte Duktilität, eine vorbestimmte, insbesondere gute, Schmierwirkung, eine vorbestimmte, insbesondere gute, Leitfähigkeit undloder eine vorbestimmte, insbesondere hohe oder niedrige, Dichte auf. Ein Verfahren zum Herstellen derartiger offenporiger Strukturen ist beispielsweise in der DE 198 51 250.3 vom selben Anmelder beschrieben.

[0010] Zur weiteren Verbesserung von Eigenschaften des Gußwerkstoffes sowie einer Grenzschicht zwischen diesem und der offenporigen Struktur wird das Bauteil einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterzogen.

[0011] Zweckmäßigerweise ist der Gießwerkstoff ein Metall oder eine Metall-Legierung.

[0012] In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die offenporige Struktur aus einem keramischen oder metallischen Werkstoff, insbesondere Eisen, oder einer Legierung, insbesondere einer NE-Legierung bzw. einer partikelverstärkten Legierung, gefertigt. Dadurch, daß die offenporige Struktur derart an dem Widerlager angeordnet ist, daß ein an der offenporigen Struktur angreifender Kraftvektor parallel und entgegengesetzt zu einem resultierenden Abstützvektor durch das oder die Widerlager ausgerichtet ist, werden Scherkräfte auf die offenporige Struktur vermieden, wodurch eine kontrollierte Kompression ohne vollständige Zerstörung der offenporigen Struktur erzielt wird.

[0013] Entsprechende Werkstoffeigenschaften des Bauteils mit lokal ausgebildeten zwei oder drei verschiedenen Phasen, d.h. mit einem Zweifach- oder Dreifach-Gradienten, erzielt man dadurch, daß der Gießwerkstoff und die offenporige Struktur aus einem gleichen Werkstoff oder unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.

[0014] Eine gute Kontrollierbarkeit der Kompression des offenporigen Werkstoffs ohne turbulente Strömungen erzielt man dadurch, daß für das Thixogießverfahren oder anderen druckunterstützten Gießverfahren eine Kolbengeschwindigkeit, ein Kolbendruck, ein Prozeßdruck undloder eine Temperatur derart gewählt wird, daß sich bei der Kompression der offenporigen Struktur ein Prozeß mit laminaren Strömungen des Gießwerkstoffes einstellt.

[0015] So wird beispielsweise in Abhängigkeit von der Gitterstruktur der Prozeßdruck derart gewählt, daß sich ein vorbestimmter Infiltrations- und/oder Deformierungsmechanismus einstellt. Hierbei ist durch entsprechende Wahl des Prozeßdruckes auch ein eine Herstellung eines Gradientenbauteils ohne Deformierung, also nur mit Infiltration, möglich.

[0016] Zweckmäßigerweise ist die offenporige Struktur ein Schaum oder eine Gitterstruktur, wie beispielsweise in der DE 198 51 250.3 vom selben Anmelder beschrieben.

[0017] Eine Verbesserung einer Benetzbarkeit und einer Infiltration der offenporigen Struktur erzielt man dadurch, daß die offenporige Struktur vor dem Gießverfahren mit einem oder mehreren Werkstoffen beschichtet wird.

[0018] Zum Erhöhen einer Elementenkonzentration in vorbestimmten Bereichen des Bauteils wird die offenporige Gitterstruktur vor der Infiltration mit wenigstens einem Element, wie beispielsweise Primärsilizium zum Erhöhen einer Verschleißfestigkeit, oder auch anderen hochwarmfesten oder härtenden Elementen beschichtet.

[0019] Zweckmäßigerweise wird die offenporige Struktur vor dem Gießverfahren mit einem Anteil eines hochfesten, härtenden, verschleißfesten und/oder schmierenden Elementes beschichtet.

[0020] In vorteilhafter Weise ist die eingelegte offenporige Struktur ein Körper, der wenigstens an einer Seite dicht ist und wenigstens eine Seite als offenporige Struktur in Kontakt mit einem Infiltrationswerkstoff, insbesondere dem Gießwerkstoff, steht.

[0021] Zur Unterstützung und Verbesserung einer kontrollierten Infiltration der offenporigen Struktur wird diese zweckmäßigerweise vor der Infiltration während des Gießverfahrens vorgeheizt.

[0022] Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:

Fig. 1

eine Schnittansicht durch eine Form für ein Thixogießverfahren vor dem Gießprozeß mit darin angeordneter offenporiger Struktur und

Fig. 2

einen Schnitt durch ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil.

[0023] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, daß eine metallische oder nichtmetallische, wie beispielsweise eine keramische, offenporige Struktur mit einer teilflüssigen Suspension bzw. Legierung infiltriert wird. Ziel ist die Herstellung eines Werkstoffverbundsystems, bei dem ein oder mehrere Bauteilbereiche lokal funktionsbezogen optimiert, beispielsweise verstärkt, werden. Mögliche Anwendungsgebiete sind hierbei die lokale Erhöhung einer Verschleißfestigkeit eines Bauteils zur Verbesserung tribologischer Eigenschaften oder eine Eigenschaftsverbesserung durch gezielte Werkstoffverbunde. Zu den Anforderungen, die an den Werkstoff gestellt werden, zählt u.a. die Verbesserung der Festigkeit, Duktilität, Schmierwirkung, Leitfähigkeit usw. Mögliche Bauteile sind hierbei beispielsweise Bremsscheiben oder Zahnräder, deren Umfangsfestigkeit durch Einlagerung einer verschleißfesten offenporigen Struktur verbessert wird, oder Lagerbuchsen, deren Schmierwirkung an vorbestimmten Stellen durch Einlagerung der offenporigen Struktur erhöht wird.

[0024] Fig. 1 zeigt beispielhaft für ein Zahnrad eine Anordnung einer offenporigen Struktur hoher Festigkeit in einer Form zur Herstellung eines Zahnrades mittels eines Thixogießverfahrens. Der Ausdruck "hohe Festigkeit" bedeutet hierbei offenporige Strukturen in Form von Schäumen, welche im wesentlichen starr sind, beispielsweise offenporige Strukturen aus Metall oder Keramik. Der Ausdruck "im wesentlichen starr" bedeutet hierbei, daß es sich bei den offenporigen Strukturen nicht um leicht kompreßible Schwämme aus Kunst- oder Naturstoff handelt.

[0025] Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind in einer Form 10 für ein Bauteil in Form eines Zahnrades an vorbestimmten Stellen offenporige Strukturen 12 angeordnet. Die offenporigen Strukturen 12 sind dabei in Zacken 14 des herzustellenden Zahnrades in dargestellter Weise angeordnet. Hierdurch bilden jeweilige Seitenwandungen 16 der Zacken 14 ein Widerlager für die offenporigen Strukturen 12. Pfeile 18 kennzeichnen hierbei entsprechende Abstützvektoren der entsprechenden Seitenwandungen 16. Diese Abstützvektoren 18 stehen senkrecht auf den jeweiligen Seiten 16. Durch Vektoraddition von entsprechenden Abstützvektoren 18 eines Zackens 14 ergibt sich ein entsprechender resultierender Abstützvektor 20.

[0026] Während des Thixogießverfahrens oder anderen druckunterstützten Gießverfahren wird unter einem entsprechenden Druck ein flüssiges oder teilflüssiges Gußmaterial in die Form 10 eingeführt. Hierdurch ergibt sich auf die offenporigen Strukturen 12 ein Kompressionsdruck mit einem entsprechenden Kraftvektor 22. Hierbei ergibt sich unmittelbar aus Fig. 1, daß die Anordnung aus Widerlager 16 und offenporiger Struktur 12 derart getroffen ist, daß der resultierende Abstützvektor 20 im wesentlichen parallel und entgegengesetzt zum Kraftvektor 22 durch das Druckgießverfahren ausgerichtet ist. Auf diese Weise ergeben sich lediglich resultierende Kompressionskräfte auf die offenporige Struktur 12, ohne Scherkräfte, so daß während des Thixogießverfahrens oder anderen druckunterstützten Gießverfahren durch den Gießdruck eine kontrollierte und vorbestimmte Kompression der offenporigen Strukturen 12 ohne deren vollständige Zerstörung erfolgt.

[0027] Das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist mittels einer Schnittansicht durch das hergestellte Bauteil in Fig. 2 veranschaulicht. Das Zahnrad 24 ist im Bereich 26 ausschließlich vom Gußmaterial 28 gebildet. Die offenporige Struktur 12 ist vom Gußmaterial 28 infiltriert und komprimiert, so daß sich eine entsprechende Legierungsschicht 30 an Spitzen der Zacken 14 ergibt. Femer hat sich eine Grenzschicht 32 zwischen der Legierungsschicht 30 und dem Gußmaterial 28 ausgebildet.

[0028] Es ist offensichtlich, daß durch die Legierungsschicht 30, welche eine andere Zusammensetzung aufweist, als das Gußmaterial 28, in den entsprechenden Bereichen der Spitzen 40 eine andere Werkstoffeigenschaft durch einen anderen Verbundwerkstoff erzielt ist. Das Gußmaterial 28 und der Werkstoff der offenporigen Struktur 12 ist dabei derart gewählt, daß sich beispielsweise entsprechende mechanische Eigenschaften und/oder Verschleißeigenschaften in den entsprechenden Bereichen der Zacken 14 ergeben.

[0029] Durch entsprechende nachfolgende Wärmebehandlungsmaßnahmen, welche auf das hergestellte Zahnrad 24 angewendet werden, können sowohl die Eigenschaften des Gußmaterials 28 als auch die Grenzflächenstruktur 32 zwischen dem Gußmaterial 28 und der Legierungsschicht 30 verbessert werden.

[0030] Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt dabei die besonderen Eigenschaften des teilflüssigen Gußwerkstoffes während des Thixogießverfahrens derart aus, daß die offenporige Struktur 12 als eine Art Filter dient und zuerst die flüssige Phase des teilflüssigen Werkstoffes eindringen läßt, welcher die Oberfläche der offenporigen Struktur 12 besonders gut benetzt. Der feste Anteil des teilflüssigen Gußwerkstoffes folgt erst später nach, und es bildet sich in entsprechender Weise die Legierungsschicht 30 und die Grenzschicht 32 aus. Wie sich unmittelbar aus Fig. 2 ergibt, sind die entsprechend gewünschten veränderten Materialeigenschaften in denjenigen Lokalbereichen ausgebildet, in denen Eingriffskräfte auf das Zahnrad 24 wirken. Somit ist es durch das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise möglich, in einem einzigen Schritt während des Thixogießverfahrens oder auch anderen druckunterstützten Gießverfahrens ein Bauteil mit lokal unterschiedlichen und entsprechend angepaßten Werkstoffverbünden mit entsprechend unterschiedlichen und entsprechend angepaßten Materialeigenschaften, wie Festigkeit, Leitfähigkeit oder Schmierfähigkeit, herzustellen. Dies war bisher nur in zwei oder mehr Verfahrensschritten möglich.

[0031] Neben der hier beispielhaft dargestellten Verfahrenstechnik des Thixoschmiedens und Thixogießens liegt es auch im Rahmen der Erfindung andere Verfahren zum Herstellen eines Gradientenbauteils unter Verwendung entsprechender Gitterstrukturen zur Realisierung einer Gradientenstruktur zu Verwenden. Die Gitterstruktur ist beispielsweise ein CMM, wie aus der DE 198 51 250.3 vom selben Anmelder bekannt. Auch liegt der Einsatz von flüssigen Werkstoffen im Umfang der Erfindung. Hierbei ändert sich lediglich der Infiltrationsmechanismus und eine ggf. sich einstellende die Deformierung der Gitterstruktur (CMM). Allgemein kann mittels der Gitterstrukturen und allen Gießverfahren eine Gradientenstruktur hergestellt werden. Der vorliegende Gießdruck bestimmt dabei den Infiltrations- und Komprimierungs- bzw. Deformierungsmechanismus der Gitterstruktur. Bei niedrigen Prozeßdrücken und entsprechender Festigkeit der offenporigen Gitterstruktur kann es auch nur zu einem Infiltrationsvorgang ohne Deformation bzw. Komprimierung der Struktur kommen. Je nach Anwendungsfall der Gradiententechnik ist eine komprimierte oder nicht komprimierte Gitterstruktur sinnvoll und umsetzbar.

Ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils in einer Form mittels eines Gießwerkstoffes, insbesondere mittels eines Thixogießverfahrens mit wenigstens einem teilflüssigen Werkstoff, mittels Thixoschmieden oder mittels eines druckunterstützten Gießens mit einem flüssigen Werkstoff,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Form vor einem Gießen oder Schmieden eine offenporige Struktur mit vorbestimmten Eigenschaften derart angeordnet wird, daß sich diese an wenigstens einer Seite an einem Widerlager abstützt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die offenporige Struktur eine hohe Festigkeit, einen vorbestimmten Härtegrad, eine vorbestimmte Oberflächenbeschaffenheit, eine vorbestimmte Legierungszusammensetzung, eine vorbestimmte Porösität, eine vorbestimmte Duktilität, eine vorbestimmte, insbesondere gute, Schmierwirkung, eine vorbestimmte, insbesondere gute, Leitfähigkeit und/oder eine vorbestimmte, insbesondere hohe oder niedrige, Dichte aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterzogen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gießwerkstoff ein Metall oder eine Metallegierung ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die offenporige Struktur aus einem keramischen oder metallischen Werkstoff, insbesondere Eisen, oder einer Legierung, insbesondere einer NE-Legierung bzw. einer partikelverstärkten Legierung, gefertigt ist.

6. , Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die offenporige Struktur derart an dem Widerlager angeordnet ist, daß ein an der offenporigen Struktur eingreifender Kraftvektor parallel und entgegengesetzt zu einem resultierenden Abstützvektor durch das oder die Widerlager ausgerichtet ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gießwerkstoff und die offenporige Struktur aus einem gleichen Werkstoff oder unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für das Gießverfahren eine Kolbengeschwindigkeit, ein Kolbendruck, ein Prozeßdruck und/oder eine Temperatur derart gewählt wird, daß sich bei der Kompression der offenporigen Struktur ein Prozeß mit laminaren Strömungen des Gießwerkstoffes einstellt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Gitterstruktur der Prozeßdruck derart gewählt wird, daß sich ein vorbestimmter Infiltrations- und/oder Deformierungsmechanismus einstellt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die offenporige Struktur ein Schaum oder eine Gitterstruktur ist.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die offenporige Struktur vor dem Gießverfahren mit einem oder mehreren Werkstoffen beschichtet wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die offenporige Struktur vor dem Gießverfahren mit einem Anteil eines hochfesten, härtenden, verschleißfesten, leitenden undloder schmierenden Elementes beschichtet wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die eingelegte offenporige Struktur ein Körper ist, der wenigstens an einer Seite dicht ist und wenigstens eine Seite als offenporige Struktur in Kontakt mit einem Infiltrationswerkstoff, insbesondere dem Gießwerkstoff, steht.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die offenporige Struktur hoher Festigkeit vor der Infiltration während des Gießverfahrens vorgeheizt wird.

Zeichnung