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Dokumentenidentifikation DE102004010763B4 13.04.2006
Titel Verbundbauteil
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Anders, Michael, Dipl.-Ing. (FH), 71106 Magstadt, DE;
Eipper, Konrad, Dipl.-Ing., 72108 Rottenburg, DE;
Götz, Konrad, Dr., 76135 Karlsruhe, DE;
Kleinekathöfer, Wolfgang, Dr., 73550 Waldstetten, DE
DE-Anmeldedatum 05.03.2004
DE-Aktenzeichen 102004010763
Offenlegungstag 22.09.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.04.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.2006
IPC-Hauptklasse F16S 1/10(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B22D 19/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B62D 29/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, das eine Blechstruktur und eine Leichtmetallstruktur umfasst.

Moderne Leichtbaustrukturen insbesondere im Automobilbau erfordern es bisweilen, dass zur Befriedigung der höchsten Festigkeitsanforderungen in Verbindung mit einer maßgebenden Gewichtsreduzierung eines Bauteils, Bauteilverbunde eingesetzt werden. Hierbei ist eine Vielzahl von verschiedenen Materialpaarungen denkbar und zweckmäßig.

Die DE 101 53 712 C1 beschreibt ein Leichtbauteil, dessen Basis ein Stahlblech bildet und an das ein Leichtmetall angegossen oder angesintert ist. Grundsätzlich gilt es bei derartigen Metallverbunden eine gute Anbindung zwischen dem Blech und der umgossenen Struktur zu gewährleisten. Die genannte Schrift liefert an dieser Stelle keine Hinweise darauf, wie eine technisch vorteilhafte Anbindung zwischen dem Stahlblech und der Umgussstruktur aussehen könnte.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verbundbauteil darzustellen, das eine Blechstruktur umfasst, an die eine Leichtmetallstruktur angegossen ist, wobei die Anbindung zwischen der Leichtmetallstruktur und der Blechstruktur gegenüber dem Stand der Technik verbessert werden soll.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verbundbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Das Verbundbauteil nach Anspruch 1 weist eine Blechstruktur auf, an die eine Leichtmetallstruktur angegossen ist, so dass die Leichtmetallstruktur die Blechstruktur zumindest teilweise umschließt, wobei die Blechstruktur in einem Umgussbereich mit der Leichtmetallstruktur eine Grundschicht aufweist, die ein Eisenaluminid umfasst. Das Einsenaluminid ist eine intermetallische Phase zwischen Eisen und Aluminium und lässt sich ganz allgemein durch die chemische Bezeichnung FexAly beschreiben.

Auf diese Grundschicht ist wiederum eine aluminiumhaltige Zwischenschicht aufgebracht, die wiederum eine Haftschicht zu der hierauf umgossenen Leichtmetallstruktur bildet.

Der erfindungsgemäße Aufbau von Schichten zwischen der Blechstruktur und der Leichtmetallstruktur führt zu einer guten Anbindung zwischen der Gussstruktur und der Blechstruktur. Die Eisenaluminid aufweisende Grundschicht wirkt hierbei haftvermittelnd zur darauf folgenden aluminiumhaltigen Zwischenschicht, wobei diese aluminiumhaltige Zwischenschicht wiederum haftvermittelnd zur Leichtmetallstruktur wirkt.

Unter einer Blechstruktur wird hierbei eine kalt oder warm gewalzte, eine rollprofilierte oder eine stranggepresste Metallstruktur verstanden. Die Metallstruktur kann sowohl offen als auch geschlossen ausgestaltet sein. Die Blechstruktur kann grundsätzlich als Stahlblech, als Aluminiumblech oder auch als Magnesiumblech ausgestaltet sein.

Das Angießen der Leichtmetallstruktur an die Blechstruktur kann grundsätzlich durch alle gängigen Gießverfahren erfolgen. Eine gute Verbindung zwischen der Blechstruktur und der Leichtmetallstruktur stellt sich bei der Anwendung eines Druckgussverfahrens ein. Unter Druckguss wird hierbei jegliches Gießverfahren von Leichtmetallen verstanden, bei dem unter erhöhtem Druck flüssiges Gießmetall in eine Gießform gepresst wird. Hierunter fallen der klassische Druckguss, das Squeeze-Casting, Thixocasting oder der Niederdruckguss.

In einer Ausgestaltungsform der Erfindung weist eine Oberfläche der Blechstruktur in. einem Grenzbereich mit dem Umgussbereich einer Isolierungsschicht auf. Diese Isolierungsschicht ist so ausgestaltet, dass sie in Form eines Streifens entlang des Grenzbereiches zwischen der Blechstruktur und der Umgussstruktur verläuft und entlang dieses Verlaufes teilweise von der Leichtmetallstruktur überdeckt ist. Die Isolierungsschicht stellt an einer äußeren Oberfläche eine Isolierung zwischen der Blechstruktur und der Leichtmetallstruktur dar und verhindert so eine Kontaktkorrosion zwischen den beiden Strukturen, die in der Regel aus unterschiedlichen Metallen bestehen und somit ein unterschiedliches elektrochemisches Potenzial aufweisen.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Eisenaluminid aufweisende Grundschicht relativ dünn ist. Sie sollte dünner als 50 &mgr;m sein, da sie sonst versprödet und zum Abplatzen neigt. Besonders bevorzugt ist die Eisenaluminid aufweisende Grundschicht dünner als 10 &mgr;m.

Es hat sich ergeben, dass die aluminiumhaltige Zwischenschicht in Form einer Aluminium-Zinn- und/oder einer Aluminium-Zink-Legierung ausgestaltet ist. Hierbei kann die Aluminium-Zinn- beziehungsweise Aluminium-Zink-Legierung gegebenenfalls weitere zweckmäßige Legierungselemente umfassen. Derartige Legierungen sind besonders gut haftvermittelnd und korrosionshemmend.

Zur weiteren Verbesserung der Haftung zwischen der aluminiumhaltigen Zwischenschicht und der Leichtmetallstruktur hat es sich ergeben, dass eine Aufrauung der aluminiumhaltigen Zwischenschicht geeignet ist. Diese Aufrauung kann durch eine mechanische oder chemische Behandlung erfolgen.

Das Verbundbauteil kann in vielerlei Gestalt Anwendung finden. Einerseits können Karosseriebauteile einer Fahrzeugkarosserie in Form des erfindungsgemäßen Bauteiles ausgestaltet werden, ferner können Tragrahmenstrukturen beispielsweise ein Integralträger oder Aggregatestrukturen wie eine Ölwanne durch das Verbundbauteil dargestellt sein.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung sind anhand der folgenden Figuren näher beschrieben.

Dabei zeigen:

1 einen Ausschnitt aus einem Verbundbauteil mit einer Blechstruktur und einer Leichtmetallstruktur,

2 einen schematischen Querschnitt durch den Schichtaufbau im Umgussbereich der Blechstruktur und der Leichtmetallstruktur entlang der Linie A-A aus 1.

3 ein Verbundbauteil mit einer Gussstruktur als Verbindung von zwei Blechstrukturen und

4 ein Druckgusswerkzeug zur Herstellung eines Verbundbauteils.

In 1 ist schematisch ein Verbundbauteil wiedergegeben, das einerseits eine Blechstruktur 4 und eine an diese angegossene Leichtmetallstruktur 6 aufweist. Die Leichtmetallstruktur 6 umgibt die Blechstruktur 4 in einem, hier gestrichelt dargestellten Umgussbereich 8.

Die 2 zeigt zur besseren Veranschaulichung eine nicht maßstabsgetreu dargestellte, stark übertriebene Schnittdarstellung durch den Schnitt AA in 1. Hierbei ist an der Oberfläche 18 an der Blechstruktur 4 zunächst eine Grundschicht 10 aufgebracht die ein Eisenaluminid FexAly aufweist. Über diese Grundschicht 10 ist eine Zwischenschicht 12 angebracht, die aus einer Aluminium-Zink-Legierung besteht, wobei der Zinkanteil zwischen 3 Gew% und 10 Gew% liegt.

Die Zwischenschicht 12 ist mit einer Aufrauung 20 versehen, die wiederum zu einer besseren Anbindung der Leichtmetallstruktur 6 dient.

In einem Grenzbereich 14 ist die Oberfläche 18 der Blechstruktur 4 sowie eine Oberfläche der Zwischenschicht 12 mit einer zusätzlichen Isolierungsschicht 16 versehen. Diese Isolierungsschicht 16 verhindert den direkten Kontakt zwischen der Leichtmetallstruktur und der Blechstruktur im Grenzbereich 14. Durch einen derartigen Kontakt könnte gegebenenfalls eine Kontaktkorrosion hervorgerufen werden, die auf die Wirkung von Elektrolyten zurückzuführen ist, die wiederum gegebenenfalls in Microrissen im Grenzbereich eindiffundieren können.

In 3 ist ein Verbundbauteil 2 dargestellt, in dem zwei Blechstrukturen 4 und 4' durch eine Leichtmetallstruktur 6 verbunden sind. Die Leichtmetallstruktur kann einerseits dort zum Einsatz kommen, wo das Verbundbauteil 2 komplexe Formen aufweist, die nicht durch eine Umformtechnik darstellbar sind. Andererseits kann, wie dies in 3 gezeigt ist, die Leichtmetallstruktur 6 als Verbindungsstruktur zwischen zwei Blechstrukturen 4, also somit als Knoten eingesetzt werden.

Zur Herstellung eines Verbundbauteils 2 wird die Blechstruktur 4 zunächst mit der Grundsschicht 10 und der Zwischenschicht 12 versehen. Dies kann beispielsweise durch das Eintauchen der Blechstruktur 4 in ein Schmelzbad erfolgen, in dem eine Aluminiumlegierung, insbesondere eine Aluminium-Zink- oder eine Aluminium-Zinn-Legierung aufgeschmolzen ist. Beim Herausnehmen erstarrt die Aluminiumlegierung auf der Oberfläche 18 der Blechstruktur 4. Gegebenenfalls durch eine Wärmebehandlung oder allein durch die Energie der Schmelzwärme kommt es zwischen der Oberfläche 18 des Bleches und der aufgeschmolzenen Aluminiumlegierung zu einer Reaktion zwischen Aluminium und Eisen, die wiederum zu der Grundschicht 10 und dem darin enthaltenen Eisenaluminid führt. Die Grundschicht 10 weist Eisenaluminide auf und kann gleichzeitig weitere Legierungselemente der Aluminiumlegierung enthalten. Die Grundschicht 10 mit den Eisenaluminiden weist eine Dicke von lediglich 10 &mgr;m auf und ist in 2 stark übertrieben dargestellt. Sie bildet jedoch eine sehr gute Haftschicht zwischen der eigentlichen Blechoberfläche 18 und der aluminiumhaltigen Zwischenschicht 12.

In einem weiteren Verfahrensschritt kann die Oberfläche der Zwischenschicht 12 gegebenenfalls durch Sandstrahlen aufgeraut werden. Weitere Aufrauverfahren wie Schleifen, Kugelstrahlen oder auch chemische Ätzverfahren können zweckmäßig sein.

Im Weiteren wird nun im Grenzbereich 14 auf die Oberfläche 18 des Bleches 4 und auf die Oberfläche der Zwischenschicht 12 eine weitere Isolierschicht 16 aufgebracht. Diese Isolierschicht 16 kann beispielsweise in Form einer Lackschicht oder einer Folie aufgebracht werden. Die Verwendung eines Klebestreifens kann ebenfalls zweckmäßig sein.

Anschließend wird die so präparierte Blechstruktur in ein Druckgießwerkzeug 21 gegeben, wobei das Druckgießwerkzeug 21 einen Werkzeugrahmen 22, der an einer nicht näher dargestellten Druckgussmaschine angebracht ist und eine innere Gießform 24, die sich wiederum im Werkzeugrahmen 22 befindet. Werkzeugrahmen 22 und Gießform 24 sind in der Form ausgestaltet, das beim Schließen des Gießwerkzeuges 20 mit einer, hier nicht dargestellten zweiten Werkzeugsseite ein ein abgedichtetes System entsteht.

In einem Formhohlraum 26, der sich in der Gießform 24 befindet, wird über einen Gießlauf 28 Gießmetall 30 unter Druck eingeleitet. Die Umgussbereiche 8 der Blechstruktur 4 sind im Formhohlraum 26 der Gießform 24 angeordnet und werden nach dem Erstarren des Gießmetalls 30 von der Leichtmetallstruktur 6 umgossen. Hierbei fließt ein flüssiges Gießmetall 30, in diesem Fall eine Aluminiumlegierung um den Umgussbereich 8 der Blechstruktur 4. Dieser Umgussbereich ist entsprechend mit der vorher beschriebenen Beschichtung 10,12 versehen. Das Gießmetall 30 trifft auf die Zwischenschicht 12, die artgleich ebenfalls auf einer Aluminiumlegierung basiert, wobei diese Aluminiumlegierung der Zwischenschicht 12 leicht angeschmolzen wird und somit zu einer besseren Haftung mit dem nun erstarrenden Gießmetall 30 beiträgt.

Dadurch, dass die Zwischenschicht 12 an ihrer Oberfläche mit einer Aufrauung 20 versehen ist, wird das anfließende Gießmetall 30 an dieser rauen Oberfläche gebrochen, was zu Verwirbelungen des Gießmetalles 30 führt, wobei wiederum eine, hier nicht dargestellte passivierende Oxidschicht auf der Zwischenschicht 12 aufgebrochen wird. Dieses Aufbrechen der passivierenden Oxidschicht führt wiederum ebenfalls zu einem verbesserten Anschmelzen und somit zu einer verbesserten Haftung zwischen der Zwischenschicht 12 und dem erstarrenden Gießmetall 30, das anschließend nach dem Erstarren die Leichtmetallstruktur 6 bildet.


Anspruch[de]
  1. Verbundbauteil, das eine Blechstruktur (4) und eine, an diese zumindest teilweise angegossene Leichtmetallstruktur (6) umfasst, dadurch gekennzeichnet dass die Blechstruktur (4) in einem Umgussbereich (8) mit der Leichtmetallstruktur (6) eine, Eisenaluminid aufweisende Grundschicht (10) umfasst, die wiederum mit einer aluminiumhaltigen Zwischenschicht (12) versehen ist und diese eine Haftschicht zur umgossenen Leichtmetallstruktur (6) bildet.
  2. Verbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Oberfläche (18) der Blechstruktur (4) in einem Grenzbereich (14) mit dem Umgussbereich (8) eine Isolierungsschicht (16) aufweist, die teilweise von der Leichtmetallstruktur (4) überdeckt ist.
  3. Verbundbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass die Eisenaluminid aufweisende Grundschicht (10) dünner als 50 &mgr;m ist.
  4. Verbundbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet dass die Eisenaluminid aufweisende Grundschicht (10) dünner als 15 &mgr;m ist.
  5. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet dass die aluminiumhaltige Zwischenschicht (12) eine Aluminium-Zinn- und/oder eine Alumium-Zink-Legierung umfasst.
  6. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aluminiumhaltige Zwischenschicht (12) an ihrer der Leichtmetallstruktur (6) zugewandten Seite aufgeraut ist.
  7. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet dass das Verbundbauteil (2) ein Karosserieelement eines Kraftfahrzeuges ist.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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