DE102009030426A1

DE102009030426A1 - Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils

Info

Publication number: DE102009030426A1
Application number: DE200910030426
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Bayer; Martin Dipl.-Ing. Blüm (FH); Sven Dipl.-Wirt. Fischer (Fh); Klaus Dipl.-Ing. Kleinhans (FH); Jose Dipl.-Ing. Rovira
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Kleinhans Klaus Dipl-Ing (fh) De; Bayer AG
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2009-06-25
Publication date: 2011-01-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils (10) für einen Kraftwagen, bei welchem ein erster metallischer Teil (12) des Verbundbauteils (10) durch Behandlung mit einer Zinkstaubmischung bei 300°C bis 600°C mit einer Zinkdiffusionsschicht (16) beschichtet wird, wobei anschließend ein zweiter metallischer Teil (14) aus einer anderen Metalllegierung an den ersten Teil (12) angegossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils für einen Kraftwagen nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Für Hybridbauteile aus Metallen wird vermehrt das Verfahren das Eingießens oder Angießens angewendet, bei welchem ein metallisches Bauteil vorgelegt und an dieses ein weiteres durch Angießen gefügt wird. Dieses Verfahren gewinnt in der Kraftfahrzeugherstellung insbesondere bei der Fertigung von Hybridbauteilen aus Stahl und Aluminiumlegierungen im Rohbau oder Motorenbau an Bedeutung.
Bei diesen Verfahren tritt häufig das Problem unzureichender Haftung zwischen dem Umgussteil und dem Umgussmetall auf, insbesondere zurückzuführen auf physikalische und chemische Inkompatibilität; beispielsweise unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten oder keine chemische Verbindung durch metallische Mischphasen im Kontaktbereich.
Eines der Konzepte zur Verbesserung der Anbindung ist die Beschichtung des einzugießenden Bauteils mit einer metallischen Schicht, welche dann beim Umgießen durch partielles Anschmelzen einen metallurgischen Verbund herstellen soll. Eine derartige Beschichtung ist beispielsweise bekannt aus der DE 102007026005 A1 , wo ein Bauteil aus Al-Legierung zum Eingießen in eine Leichtmetalllegierung auf Al-, oder Al/Mg-Basis mit einer Konditionierungsbeschichtung mit einer Metallbeschichtung aus galvanisch abgeschiedenem Zn oder einer Zn-Legierung beaufschlagt wird.
Aus der DE 198 36 706 A1 ist beispielsweise ein Gussverfahren bekannt, bei dem zunächst auf einem Grauguss-Rohling eine Mangan enthaltene Beschichtung als Haftschicht in einer fest haftenden Verbindung, vorzugsweise durch Verschmelzen der Beschichtung mit der Oberfläche aufgebracht wird. Die Beschichtung wird so eingestellt, dass sie insgesamt aus Mn oder einer Fe- oder Al-Mn-Legierung besteht. Hierauf wird der Rohling ohne Aufschmelzen der Beschichtung mit einer Aluminiumlegierung umgossen, wobei durch Diffusion in die Beschichtung im Grenzbereich zwischen der Beschichtung und dem Umguss eine stoffschlüssige Verbindung über eine fest haftende Legierung entsteht.
Die bekannten metallischen Beschichtungen auf dem einzugießenden Bauteil haben teils den Nachteil, dass sie auf dem Untergrund nur schlecht haften oder auch nur eine schlechte Haftvermittlung zum Umgussteil bewirken.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Beschichtung für den Verbundguss von metallischen Bauteilen bereit zustellen, welche eine verbesserte Haftvermittlung zwischen den beiden Bauteilen durch Umguss bzw. Anguss gefügten Bauteilen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Für die Erfindung ist es wesentlich, dass das einzugießende Bauteil mit einer fest haftenden und mikroporösen Beschichtung aus Zink und intermetallischen Phasen, bzw. Legierungsphasen aus Zink und dem Substratmetall versehen wird. Hierzu wird der einzugießende metallische Teil des Verbundbauteils durch Behandlung mit einer Zinkstaubmischung bei 300°C bis 600°C mit einer Zinkdiffusionsschicht beschichtet, Die gebildete Beschichtung zeichnet sich durch eine Diffusionszone des Zn in das Substratmetall aus, welche eine sehr hohe Haftfestigkeit zwischen Beschichtung und Substrat besitzt. Darüber hinaus ist die Schicht an der Oberfläche mikroporös bis leicht schwammig ausgestaltet, was einen sehr guten metallurgischen Verbund zum Umgussmetall bewirkt.
Dabei ist es ist aus dem Stand der Technik bereits bekannt, metallische Bauteile zum Zwecke des Korrosionsschutzes durch Behandlung mit einer Zinkstaubmischung bei 300°C bis 600°C mit einer Zinkdiffusionsschicht zu beschichten. Hierbei wird zunächst eine oberflächennahe Schicht des Bauteils durch Feststoffdiffusion mit Zink unter Bildung von Legierungen und/oder intermetallischen Phasen aus Zink und dem Basismetall des Bauteils angereichert. Auf diese Zink-angereicherte Schicht lagert sich schließlich eine Schicht aus reinem Zink ab, welche eine größtenteils schwammartige Struktur aufweist. Die Zinkschicht verleiht dem metallischen Bauteil hierbei eine besonders gute Korrosionsbeständigkeit. Ein derartiges Verfahren ist bspw. aus der DE 10 2004 035 049 B4 bekannt.
Bei einem derartigen Verfahren zum Herstellen von Verbundbauteilen wird zunächst ein erster metallischer Teil des Verbundbauteils durch Behandlung mit einer Zinkstaubmischung bei 300°C bis 600°C mit einer Zinkdiffusionsschicht beschichtet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, anschließend einen zweiten metallischen Teil aus einer anderen Metalllegierung an den ersten Teil anzugießen. Durch die Beschichtung des ersten metallischen Teils des Verbundbauteils mit einer Zinkthermodiffusionsschicht werden hierbei vorteilhafterweise neue, bislang nicht durchführbare Materialpaarungen ermöglicht. Insbesondere ist es möglich, Verbundgussbauteile aus so unterschiedlichen Materialien wie Stahl und Leichtmetalllegierungen herzustellen. Eine elektrochemische Korrosion im Kontaktbereich zwischen den in der Spannungsreihe weit auseinander liegenden Grundmaterialien des ersten und zweiten Teils wird durch die zwischenliegende Zinkthermodiffusionsschicht wirkungsvoll unterbunden.
Gleichzeitig kann das angegossene Material des zweiten Teils unter teilweisem Aufschmelzen der Zinkthermodiffusionsschicht ebenfalls einen grenzflächennahen Zink-angereicherten Bereich ausbilden. Hierdurch wird die Haltbarkeit der Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten metallischen Teil wesentlich verbessert. Derartige Hybridbauteile können beispielsweise so gestaltet werden, dass mechanisch hoch beanspruchte Bereiche – beispielsweise die Randbereiche eines auf Biegung beanspruchten Profils – aus hochfesten Materialien wie beispielsweise Edelstahl gefertigt werden, während weniger beanspruchte Bereiche – wie beispielsweise die Umgebung der neutralen Faser in einem auf Biegung beanspruchten Profil – aus einem weniger beanspruchbaren, dafür aber leichteren Metall, wie beispielsweise einer Aluminium- oder Magnesium-Basislegierung gefertigt werden. Hierdurch werden neue Leichtbaupotentiale eröffnet.
Bevorzugte Hybridbauteile sind Strukturbauteile für die Karosserie eines Kraftwagens aus Stählen mit thermischer Zinkbeschichtung und angegossenen Teilen aus Aluminiumlegierung. Die Zn-Beschichtung zeichnet sich dabei durch eine sehr gute Anbindung an die Al-Legierung aus. Durch das Angießen des flüssigen Aluminiums findet eine partielles Anschmelzen der Diffusionsbeschichtung statt und es kann eine feste metallurgische Verbindung zwischen den beiden unterschiedlichen Bauteilen gebildet werden. Bei der Zinkthermodiffusionsbeschichtung tritt daneben der wichtige Effekt auf, dass die schwammartige Oberflächenstruktur der Beschichtung sowohl das Aufschmelzen als auch eine mikroskopische Verklammerung in nicht aufgeschmolzenen Bereichen ermöglicht. Dies ist bspw. ein ganz erheblicher Vorteil gegenüber den sehr glatten galvanischen Beschichtungen.
Bei der Materialkombination aus beschichtetem Stahl und Aluminium-Legierung ist es darüber hinaus von besonderer Bedeutung, dass der Stahl in unmittelbarer Nähe zum angegossenen Aluminium eine wirksame Korrosionsschutzschicht aus der Zn-Thermodiffusionsbeschichtung trägt. Denn gerade im Übergangsbereich zwischen Stahl und Aluminium besteht ein hohes Risiko der elektrochemischen Korrosion, durch Bildung von Lokalelementen.
Zudem sind auch schwer von außen zugängliche Bauteilbereiche mit einer effektiven Korrosionsschutzbeschichtung versehen, die mit einer späteren KTL-Beschichtung (KathodischeTauchLakierung) oder Korrosionsschutzlackierung nicht mehr zuverlässig erreichbar wären.
Bevorzugt wird der zweite metallische Teil mittels eines Druckgussverfahrens an den ersten Teil angegossen. Dies bietet sich insbesondere beim Angießen von Aluminium- oder Magnesium-Basislegierungen an Stahlbauteile an. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, nach dem Angießen auch den zweiten metallischen Teil des Verbundbauteils mit einer Zinkdiffusionsschicht zu beschichten, um dem Bauteil insgesamt eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit zu verleihen und ein späteres Aufbringen von weiteren Beschichtungen zu vereinfachen.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Die einzige Figur zeigt hierbei eine schematische Schnittdarstellung durch ein mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens gefertigtes Verbundbauteil.
Zur Herstellung ein im Ganzen mit 10 bezeichneten Verbundbauteils aus einem ersten metallischen Teil 12 und einem zweiten metallischen Teil 14, welche jeweils aus unterschiedlichen Metalllegierungen bestehen, wird zunächst der erste metallische Teil 12 vorgeformt. Dies kann nach üblichen Verfahren der Metallbearbeitung beispielsweise durch Kokillengießen, Druckgießen, Umformen von Halbzeugen und dergleichen geschehen.
Der erste metallische Teil 12 des Verbundbauteils 10 wird in der Folge mit einer Zinkthermodiffusionsschicht 16 beschichtet. Hierzu wird der metallische Grundkörper des ersten Teils 12 in eine Mischung aus Zinkstaub und einem neutralen Trägermaterial wie beispielsweise Sand eingelegt und über mehrere Stunden hinweg bei 300°C bis 600°C wärmebehandelt. Durch Feststoffdiffusion dringen Zinkatome in eine oberflächenahe Schicht 18 des ersten metallischen Teils 12 ein und bilden dort mit dem Basismetall des ersten metallischen Teils 12 Legierungen und/oder intermetallische Phasen. Durch die Zinkanreicherung wird die oberflächenahe Schicht 18 des ersten metallischen Teils 12 zunächst gehärtet. Im weiteren Verlauf der Beschichtung scheidet sich schließlich eine Thermodiffusionsschicht 16 aus im Wesentlichen reinem Zink auf der Oberfläche des ersten metallischen Teils 12 ab. Diese hat eine schwammartige, raue Struktur.
Nach der Beschichtung des ersten metallischen Teils 12 wird schließlich der zweite metallische Teil 14 an diesen angeformt. Dies kann beispielsweise durch Druckguss geschehen. Hierzu wird der beschichtete erste metallische Teil 12 in ein Druckgusswerkzeug eingelegt und der zweite metallische Teil 13 angegossen. Dies kann unter teilweisem Aufschmelzen der Thermodiffusionsschicht 16 geschehen. Durch die zinkhaltige Thermodiffusionsschicht 16 wird auch bei Exposition des Grenzflächenbereichs zwischen dem ersten metallischen Teil 12 und dem zweiten metallischen Teil 14 elektrochemische Kontaktkorrosion vermieden, so dass die Materialien für den ersten metallischen Teil 12 und dem zweiten metallischen Teil 14 im Wesentlichen frei wählbar sind. Insbesondere ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung von Stahl-Aluminium- und Stahl-Magnesium-Hybriden.
Der zweite metallische Teil 14 kann bereichsweise an den ersten metallischen Teil 12 angegossen werden oder diesen auch vollständig umschließen. Beispielsweise kann der erste metallische Teil 12 so als Einlagekörper aus Edelstahl in einem Leichtmetallbauteil gestaltet werden. Hierdurch kann das Bauteil beispielsweise spezifisch entlang zu erwartender Kraftpfade in seinem Betrieb verstärkt werden. Ein derartiges Hybridbauteil 10 kombiniert hierdurch die hohe Festigkeit von Stahl- oder Edelstahlbauteilen mit dem geringen Gewicht von Leichtmetallbauteilen.
Derartige Hybridbauteile können vielfältige Anwendung insbesondere im Kraftfahrzeugbau finden. Die Kombination von hoher mechanischer Beständigkeit mit geringem Eigengewicht ermöglicht ihren Einsatz insbesondere im Karosseriebau als Trägerelemente und dergleichen.
Um die Korrosionsbeständigkeit des Bauteils 10 weiter zu verbessern, kann nach dem Angießen des zweiten metallischen Bauteils 14 eine weitere Zinkthermodiffusionsbeschichtung vorgesehen werden, welche die Oberfläche 20 des zweiten metallischen Bauteils ebenfalls mit einer hier nicht gezeigten Zinkthermodiffusionsschicht schützt. Hierdurch werden besonders korrosionsbeständige Bauteile erhalten, welche aufgrund der porösen Natur der Zinkthermodiffusionsschicht einfach weiter zu beschichten sind. Die Zinkthermodiffusionsschicht ermöglicht zudem ein erleichtertes Fügen mit weiteren, benachbarten Bauteilen in nahezu beliebigen Materialpaarungen. Insbesondere werden auch als im Wesentlichen nicht schweißbar geltende Legierungen durch eine derartige Zinkthermodiffusionsschicht schweißbar gemacht.
Bezugszeichenliste

10: Verbundbauteil
12: erstes metallisches Teil
14: zweites metallisches Teil
16: Zinkthermodiffusionsschicht
18: oberflächennahe Schicht
20: Oberfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102007026005 A1 [0004]
- DE 19836706 A1 [0005]
- DE 102004035049 B4 [0010]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils (10) für einen Kraftwagen, bei welchem ein erster metallischer Teil (12) des Verbundbauteils (10) beschichtet wird und anschließend ein zweiter metallischer Teil (14) aus einer anderen Metalllegierung an den ersten Teil (12) angegossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das erste einzugießende metallische Teil (12) des Verbundbauteils (10) durch Behandlung mit einer Zinkstaubmischung bei 300°C bis 600°C mit einer Zinkdiffusionsschicht (16) beschichtet wird,
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste metallische Teil aus Stahl gefertigt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite metallische Teil (14) mittels eines Druckgussverfahrens angegossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Angießen des zweiten metallischen Teils (14) eine Aluminium- oder Magnesiumbasislegierung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Angießen der zweite metallische Teil (14) mit einer Zinkdiffusionsschicht beschichtet wird.