Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteils

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteils, insbesondere eines Fahrwerksbauteils.

[0002] Derzeit ist es üblich, hochbeanspruchten Fahrwerksbauteile im Gesenkschmiedeverfahren aus vorgeformten Schmiederohlingen auf Basis von Strangpressprofilen herzustellen. Zum Stand der Technik in diesem Zusammenhang zählt das so genannte Cobapressverfahren. Hierbei handelt es sich um ein Guß-Schmiedeverfahren, bei dem ein gegossener Rohling einmalig nachgeschmiedet wird.

[0003] Auch das so genannte Gegendruckgießen kommt bei der Herstellung von Fahrwerksbauteilen zur Anwendung. Beim Gegendruckverfahren wird während der Erstarrungsphase des Leichtmetallgusses in der Gießform (Kokille) ein Überdruck erzeugt.

[0004] Die EP 0 315 566 B1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Keramik-Metall-Verbundkörpers und einen solchen Verbundkörper. Zur Herstellung wird ein keramischer Gegenstand geformt, der auf zumindest einen Teil seiner Oberfläche mit einem Überzugsmaterial versehen wird. Anschließend wird der Gegenstand mit einem schmelzflüssigen Metall umgossen. Das schmelzflüssige Metall wird danach verfestigt, um den Keramk-Metall-Verbundkörper zu erhalten. Der Überzug besteht aus gebranntem Gips mit Füllstoffmaterial.

[0005] Die DE 199 29 761 A1 ebenso wie die DE 199 18 908 A1 offenbaren einen Kern für in Gusstechnik hergestellte Bauteile und ein Herstellverfahren dazu.

[0006] Leichtmetall bzw. Leichtmetalllegierungen, allen voran Aluminium, gewinnen im Automobilbau als Leichtbauwerkstoff zunehmend an Bedeutung, insbesondere im Hinblick auf leichtbauende Fahrwerksbauteile. Auf Grund des gegenüber Stahl geringeren Elastizitätsmoduls erfordern die nötigen Bauteilsteifigkeiten besondere hüllenartige Strukturen, um die Leichtbaupotentiale der Leichtmetallwerkstoffe zu realisieren.

[0007] Die hüllenartigen Strukturen werden dadurch erzeugt, dass anstelle der Schmiederohlinge mit Vollquerschnitt aus Strangpressprofilen beim Gesenkschmieden oder in Form von endformnahen Gussteilen mit Vollquerschnitt beim Cobapressverfahren als Schmiederohlinge bauteilabhängig geformte Gussteile mit Kernkörpern aus speziellen, ultraleichten, hitzefesten und thermisch beständigen Werkstoffen hergestellt werden - so genannte Hybridkerne, die als Dauerkerne im Fahrwerksteil verbleiben und die nachfolgenden Gesenkschmiedeprozesse, Wärmebehandlungen, mechanischen Bearbeitungen sowie die Beanspruchungen als Kraftfahrzeugbauteil, insbesondere Fahrwerksbauteil aushalten.

[0008] Die Grundkomponenten für Kernkörper nach dem Stande der Technik sind Sande als feuerfeste Füllstoffe (85-98%), ein Binder (2-10%) und gegebenenfalls ein Härter. Die Binder sind organischer (auf Kunstharzbasis) oder anorganischer (Tone, Wasserglas) Natur. Die meist verwendeten Kunstharzbinder sind Phenol- und Furanharze. Die Entwicklung neuer anorganischer Bindersysteme ist weit fortgeschritten und in industrieller Erprobung. Grundprinzip dieser Kernkörper ist eine möglichst hohe Komprimierung bzw. Verdichtung, wodurch Lufteinschlüsse rein mechanisch reduziert werden. Die Zwischenräume zwischen den verdichteten Sanden und Füllstoffen werden mit geeigneten Bindemitteln gefüllt, so dass in den Kernkörpern nur minimal, nicht zu vermeidende Lufteinschlüsse verbleiben. Diese Lösungen führen jedoch zwangsläufig zu einer erhöhten Dichte des Kernmaterials, die üblicherweise deutlich höher ist als die von Leichtmetall, beispielsweise Aluminium. Entsprechend hoch ist dann auch das Gewicht der Kernkörper.

[0009] Für den Einsatz in Kraftfahrzeugbauteilen ist dieser Weg nach dem Stande der Technik nachteilig, da die Dichte der Hybridkerne so gering wie möglich, auf alle Fälle signifikant unter der des verwendeten Leichtmetalls bzw. der Leichtmetalllegierung liegen sollte, um die angestrebten Leichtbaueffekte der Kraftfahrzeugbauteile in Hybridkern-Schmiedetechnologie zu erreichen.

[0010] Nicht verdichtete Kernkörper weisen eine hohe Porosität mit entsprechenden Lufteinschlüssen auf. Beim Vergießen dieser Kernkörper mit den üblichen Gießtemperaturen von ca. 680 °C bis ca. 780 °C werden diese Lufteinschlüsse entsprechend erhitzt und expandieren. Aus denjenigen Oberflächenbereichen der Kernkörper, die noch nicht vom flüssigen Leichtmetall umschlossen sind, kann die sich erhitzende Luft aus den Porositäten noch über das Entlüftungsund Speiseröffnungen des Gießsystems entweichen. Sind die Kernkörper jedoch von flüssigem Leichtmetall umschlossen, kann die expandierte Luft nur durch den erstarrenden Guss austreten und/oder bildet während der Erstarrung im Gussteil porenartige Lufteinschlüsse unterschiedlicher Ausprägung. Derartige Porositäten infolge der Kernausgasung sind unerwünscht und müssen möglichst minimierte werden, da sie die mechanischen Eigenschaften und Qualität der Gussteile äußerst negativ beeinflussen.

[0011] Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung von qualitativ verbesserten, leichtbauenden und hochbeanspruchbaren Kraftfahrzeugbauteilen, insbesondere Fahrwerksbauteilen, zu schaffen.

[0012] Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1.

[0013] Als Kernkörper kommen vorkonfektionierte Körper aus leichten, hitzefesten und thermisch beständigen, mineralischen Werkstoffen zum Einsatz. Für die Praxis besonders geeignet werden Kernkörper aus einem Silikat angesehen, insbesondere einem Aluminium-Eisen-Magnesium-Silikat. Die Kernkörper müssen die nachfolgenden Gesenkschmiedeprozesse, Wärmebehandlungen, mechanische Bearbeitungen sowie die Beanspruchungen im Kraftfahrzeug aushalten und verbleiben als Dauerkern im Kraftfahrzeugbauteil.

[0014] Erfindungsgemäß werden die in der Regel schwammartig porösen und vergleichsweise sehr hohe Luftanteile enthaltenden Kernkörper so präpariert, dass sie während des Gießprozesses und der Erstarrung soweit wie möglich nicht ausgasen, d.h. bei den hohen Gießtemperaturen kein Gas an das Gussmaterial abgeben. Auf diese Weise können die negativ wirkenden Porositäten im Gussteil vermieden werden.

[0015] Die Erfindung sieht vor, die Kernkörper so zu erwärmen, dass der Luft- bzw. Gasanteil in den Poren des Kernkörpers ausgetrieben wird. Anschließend werden die Kernkörper mit einem Leichtmetallguss, insbesondere Aluminiumguss, umgossen und auf diese Weise ein Rohling erzeugt. Dieser Rohling wird schmiedetechnisch bearbeitet und so das Kraftfahrzeugbauteil geformt.

[0016] Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen die Patentansprüche 2 bis 10 auf.

[0017] Die Kernkörper werden bis zu einer Temperatur erwärmt, bei der im Kernkörper vorhandenes Gas zumindest zum überwiegenden Teil ausgetrieben wird. Je nach Werkstoff des Kernkörpers und Porosität wird die Erwärmung bis auf eine Temperatur zwischen 100°C und 800°C, insbesondere auf eine Temperatur zwischen 300°C und 700°C durchgeführt.

[0018] Vorzugsweise wird der Kernkörper auf eine Temperatur erwärmt, welche mit einer Abweichung von +/- 100°C der Temperatur des Leichtmetallgusses entspricht, die der Leichtmetallguss beim Umgießen des Kernkörpers hat.

[0019] Die äußere Hülle des Schmiederohlings und des hieraus gebildeten Kraftfahrzeugbauteils besteht aus Leichtmetallguss. Hierbei kommen insbesondere Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen oder Magnesium oder Magnesiumlegierungen zur Anwendung.

[0020] Wie bereits ausgeführt, kommen als Kernkörper aus einem mineralischen Material zum Einsatz, das wärmebeständiger und leichter ist als der Werkstoff des äußeren Grundkörpers aus Leichtmetallguss. Die Hitze- bzw. Temperaturbeständigkeit ist derart, dass der Kernkörper in schmelzflüssigem heißem Leichtmetallguss eingebettet werden kann. Aluminium oder Aluminiumlegierungen besitzen ein spezifisches Gewicht von etwa 2,7 g/cm³ und einen Schmelzpunkt von etwa 660 °C. Magnesium oder Magnesiumlegierungen weisen ein spezifisches Gewicht von etwa 1,7 g/cm³ und einen Schmelzpunkt von ca. 650 °C auf. Vorzugsweise kommt daher ein Material als Kernkörper zum Einsatz mit einer Feuerbeständigkeit gegenüber Temperaturen von 800 °C und höher, insbesondere einem Schmelzpunkt zwischen 1.300 °C und 1.400 °C. In diesem Zusammenhang ist insbesondere an Werkstoffe auf Basis von expandierenden Tonmineralien gedacht. Ein solcher Werkstoff ist Vermiculite.

[0021] Die erfindungsgemäß hergestellten Rohlinge werden als Schmiederohlinge für den anschließenden Schmiedeprozess verwendet, bei dem durch entsprechende Umformgrade eine sichere Eliminierung der Porositäten durch Verdrücken und Verschmelzen erfolgt. Durch die thermische Vorbehandlung wurde die Porosität zur Gewährleistung der angestrebten hohen und stabilen mechanischen Kennwerte für den vorgesehenen Einsatz der Fertigschmiedeteile, insbesondere als Sicherheitsteile in Fahrwerken, soweit wie möglich minimiert.

[0022] Um das unerwünschte Ausgasen der porösen, hochgradig lufthaltigen Kernkörper zu minimieren besteht die erfindungsgemäße Lösung darin, die fertig geformten Kernkörper vorzugsweise unmittelbar vor dem Positionieren in der Gießform auf eine geeignete Vorwärmtemperatur zu erhitzen, wodurch die enthaltenden Gase expandieren und aus dem Kern entweichen können, bevor das Gießen erfolgt. Somit wird die Gefahr des Gasaustritts aus den Kernkörpern in den flüssigen oder erstarrenden Leichtmetallguss und damit die Bildung von unerwünschten und nachhaltigen Porositäten im Guss reduziert. Die Vorwärmtemperaturen sind dabei im Detail von den konkreten technologischen Gegebenheiten wie Gießtemperatur, Art der Gussform, z.B. Kokille oder Sand, der Taktzeit des Gießprozesses, insbesondere der Zeit zwischen Vorwärmen und Gießen und weiteren relevanten Faktoren auszulegen.

[0023] Das Vorwärmen der Kernkörper kann dabei in gesonderten, dem Gießprozess räumlich und zeitlich in geeigneter Weise vorgelagerten Öfen bzw. anderen geeigneten Aufheizvorrichtungen erfolgen. Es kann aber auch direkt während des Positionierens oder bereits in positionierter Lage der Kernkörper zu den Gießformen mittels geeigneter Wärmestrahler, Wärmehauben usw. erfolgen. Je nach den konkreten technologischen Bedingungen ist mit Vorwärmtemperaturen zwischen 300° C und 700°C, fallweise aber auch darunter oder darüber zu rechnen.

[0024] Neben dieser thermischen Präparation der Kernkörper können zusätzliche Maßnahmen zur Präparation zwecks Verhütung der Ent- bzw. Ausgasung während des Gießens und Erstarrens durchgeführt werden. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass der Kernkörper vor oder nach dem Erwärmen mit einer Versiegelung vorgesehen wird. Im Rahmen der Erfindung wird in diesem Zusammenhang von einer Versiegelungspräparation gesprochen. Weiterhin können die Kernkörper vor oder nach dem Erwärmen mit einer Beschichtung versehen werden. Dies wird als Oberflächenpräparation bezeichnet.

[0025] Bei der Versiegelungspräparation wird das Entgasen dadurch verhindert wird, dass durch die Versiegelung mit geeigneten Mitteln, z.B. Wasserglas, der Gasaustritt aus dem Hybridkern verhindert bzw. in erträglichem Maße behindert wird. Die Versiegelung kann je nach technologischen Bedingungen am kalten oder vorgewärmten Kernkörper erfolgen.

[0026] In Kombination mit der thermischen Präparation kann als Oberflächenpräparation eine Beschichtung in Form eines Verrußens der Oberfläche der Kernkörper erfolgen. Dabei wird z.B. durch ein übersättigtes Gasgemisch beim Vorwärmen der Hybridkerne mit Gasflammen gezielte eine Rußablagerung auf der Kernoberfläche erzeugt. Diese Rußablagerungen glätten einerseits die Kernoberfläche und erzeugen andererseits aufgrund des hohen Kohlenstoffgehaltes trennende Wirkungen gegenüber dem flüssigen Aluminium. Die technisch nutzbaren Wirkungen wäre eine qualitätsrelevante Glättung der Oberflächen, Verbesserung der Gleitfähigkeit gegenüber dem fließenden Leichtmetall während der Gießphase sowie die leichtere Trennfähigkeit von nicht vermeidbaren Ausgasungen von der Hybridkernoberfläche. Durch die leichtere Trennungsfähigkeit eventueller Ausgasungen in Form von Bläschen usw. von der Kernoberfläche können diese recht schnell noch in der flüssigen Phase des Leichtmetalls mit abgeschwemmt und aus dem Gußteil heraus in die Speiser- und Entlüftungsbereiche abgeströmt werden.

[0027] Durch geschickte Doppel- oder Mehrfachnutzung der bei den Gießprozessen ohnehin anfallenden Wärme, Abwärme usw. können mittels entsprechender Anlagen usw. die zusätzlichen Wärmemengen für das Vorwärmen auf ein Mindestmaß kostenmäßig optimal reduziert werden.

[0028] Erfindungsgemäß wird das Entgasen der porösen Kernkörper minimiert. Dies erfolgt durch eine thermische Präparation. Zusätzlich kann eine Versiegelungspräparation und/oder Oberflächenpräparation erfolgen. Die erfindungsgemäß behandelten Kernkörper werden mit einem Leichtmetallguss umgossen und in diesen eingebettet. Die so erzeugten Rohlinge werden schmiedetechnisch zu Kraftfahrzeugbauteilen umgeformt.

[0029] Die Kernkörper werden insbesondere in solchen Bauteilbereichen des späteren Kraftfahrzeugbauteils angeordnet, welche gegenüber einem anderen Bauteilbereich eine geringere Festigkeit bei gleicher oder höherer Steifigkeit besitzen sollen. Die Positionierung der Kernkörper erfolgt in Anpassung auf die späteren Belastungen des fertigen Kraftfahrzeugbauteils. Die Kernkörper werden dort vorgesehen, wo primär höhere Steifigkeiten und nicht Höchstfestigkeiten erforderlich sind. In Abstimmung auf die Bauteileigenschaften und deren Kontur erfolgt die Positionierung der Kernkörper bereits im Rohling. Die schmiedetechnische Bearbeitung, beispielsweise durch Gesenkformen, wird gezielt so ausgeführt, dass beim Schmieden definierte Verdichtungen des Leichtmetallwerkstoffes und des Kernkörpers erfolgen, mit der die geforderten mechanischen Eigenschaften des Kraftfahrzeugbauteils erreicht bzw. eingestellt werden. Die Temperaturen werden durch den Schmiedeprozess definiert. In der Praxis ist von Schmiedetemperaturen zwischen 400°C und 600°C auszugehen. Die schmiedetechnische Bearbeitung des Rohlings kann im Anschluss an die gießtechnische Herstellung des Rohlings unter Nutzung der aus dem Gießprozess stammenden Wärme erfolgen. Grundsätzlich kann aber auch ein abgekühlter Rohling für den Schmiedevorgang auf Schmiedetemperatur erwärmt werden.

[0030] Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren für die Herstellung von Fahrwerksbauteilen geeignet. Solche Bereiche eines Fahrwerksbauteils in denen höchste Festigekeiten gefordert sind, werden, wie üblich, mit Vollquerschnitt ausgeführt. Der Werkstoff erhält beim Schmieden in diesen Bauteilbereichen durch entsprechenden Materialfluss und Materialverdichtung höchste Festigkeiten.

[0031] Es können je nach Anforderungen gezielt unterschiedliche Eigenschaften in Fahrwerksbauteile eingebracht werden, je nach Positionierung und Auslegung der Kernkörper, der Bereiche mit Vollquerschnitt des Fahrwerksbauteils sowie der Einstellung des schmiedeüblichen Verformungsgrades und des Fließverhaltens des Schmiederohlings beim Schmieden. In Abhängigkeit von der Einstellung der mechanischen Eigenschaften bzw. der Dichte der Kernkörper vor und nach dem Schmieden kann eine zusätzliche innere Stützwirkung und Steifigkeitserhöhung auch im Bereich der Kernkörper im Fahrwerksbauteil bewirkt werden.

[0032] Die Erfindung schafft hoch beanspruchbare Kraftfahrzeugbauteile, insbesondere Fahrwerksbauteile, mit Streckgrenzen von 280 MPa und mehr bei Bruchdehnungen von etwa 10 %, die gegenüber vergleichbaren herkömmlichen Kraftfahrzeugbauteilen gewichtsmäßig reduziert sind. Trotz gleicher Steifigkeiten kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber dem Stand der Technik das Gewicht der Kraftfahrzeugbauteile reduziert werden. Dies ist nicht nur ein wesentlicher Faktor bei der Reduzierung der Herstellungskosten, sondern auch ein wichtiger Beitrag zur Reduzierung von Fahrwerksmassen, insbesondere der ungefederten Massen, die hohen Einfluss auf die Verbrauchswerte und den Fahrkomfort haben.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteil, insbesondere eines Fahrwerksbauteils, gekennzeichnet t durch folgende Schritte:

- Bereitstellen eines mineralischen Kernkörpers;

- Erwärmen des Kernkörpers;

- Umgießen des Kernkörpers mit Leichtmetallguss und Erzeugung eines Rohlings;

- Schmiedetechnische Bearbeitung des Rohlings und Formung des Kraftfahrzeugbauteils.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernkörper bis zu einer Temperatur erwärmt wird, bei der im Kernkörper vorhandenes Gas zumindest zum überwiegenden Teil ausgetrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung bis auf eine Temperatur zwischen 100°C und 800°C, insbesondere auf eine Temperatur zwischen 300°C und 700°C, durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernkörper auf eine Temperatur erwärmt wird, welche mit einer Abweichung von +/- 100° C der Temperatur des Leichtmetallguss entspricht, die der Leichtmetallguss beim Umgießen des Kernkörpers hat.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernkörper vor oder nach dem Erwärmen mit einer Versiegelung versehen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernkörper vor oder nach dem Erwärmen mit einer Beschichtung versehen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kernkörper aus einem Silikat, insbesondere Aluminium-Eisen-Magnesium-Silikat, eingesetzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leichtmetallguss aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung oder Magnesium bzw. einer Magnesiumlegierung verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte und/oder die Festigkeit des Kernkörpers beim Schmiedevorgang eingestellt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die schmiedetechnische Bearbeitung des Rohlings bei einer Temperatur zwischen 400 °C und 600 °C durchgeführt wird.