EP4520456A2 - Verfahren zur herstellung einer stoffschlüssigen verbindung zwischen einem einlegeteil und gussmaterial und zwischenprodukt - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer stoffschlüssigen verbindung zwischen einem einlegeteil und gussmaterial und zwischenprodukt Download PDF

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EP4520456A2
EP4520456A2 EP24198906.0A EP24198906A EP4520456A2 EP 4520456 A2 EP4520456 A2 EP 4520456A2 EP 24198906 A EP24198906 A EP 24198906A EP 4520456 A2 EP4520456 A2 EP 4520456A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
insert
layer
protective layer
melt
casting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24198906.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP4520456A3 (de
Inventor
Christoph Pille
Dirk Lehmhus
Jan Clausen
Rowena Duckstein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4520456A2 publication Critical patent/EP4520456A2/de
Publication of EP4520456A3 publication Critical patent/EP4520456A3/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0081—Casting in, on, or around objects which form part of the product pretreatment of the insert, e.g. for enhancing the bonding between insert and surrounding cast metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/04—Casting in, on, or around objects which form part of the product for joining parts

Definitions

  • the invention lies in the field of foundry technology. It relates to methods for producing a material-to-material connection between an insert and casting material, in particular aluminum. It also relates to an intermediate product for use in a casting process.
  • aluminum offers extensive potential for lightweight construction.
  • the material is used as a cast and wrought alloy, particularly in automotive body construction.
  • Assembled aluminum constructions consisting of complex-shaped cast structures and simple sheet/profile structures joined together in a conventional manner are established.
  • the insert can be made of identical, similar material (e.g., aluminum insert in aluminum casting, steel insert in cast iron or cast steel, etc.), or dissimilar material.
  • the connection between the casting and insert can be achieved through force, form, or material bonding, as well as through combinations of these basic mechanisms.
  • connection The requirements for the connection vary depending on the intended use of the assembly to be produced, especially in the Transfer of forces, heat, and/or electrical energy. In all cases, but especially when transferring heat or electrical energy, a material-to-material bond is preferred. Accordingly, the composite casting of molten aluminum material with solid aluminum semi-finished material as an insert – with the goal of a material-to-material bond – represents a challenge that has not yet been satisfactorily solved technically.
  • a problem here is the corrosion protection layer of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) that forms naturally on aluminum surfaces even upon contact with small amounts of oxygen.
  • a firmly adhering oxide layer forms, which, due to its high strength and a melting point of approximately 2,000°C, acts as a "barrier layer" on the insert to be cast and hinders the melting of the aluminum semi-finished product upon contact with the aluminum melt.
  • the melted or melted semi-finished product of the insert now has direct contact with the molten metal and can form a material bond.
  • the filling of the casting mold and thus the pouring or encapsulation of the insert takes place comparatively quickly within less up to approximately 100 milliseconds.
  • the process is characterized by a more spraying, droplet-distributed filling of the mold, rather than a laminar melt flow. This means that the flowing effect for temperature transfer from the melt to the insert can be comparatively lower.
  • die casting usually produces components with thin walls between 2 - 10 mm, which means that less volume of molten metal is available for temperature transfer from the melt to the insert.
  • DE 10 2020 206 009 A1 relates to a method for coating a component made of a base material, which has a cover layer, in particular a closed one, made of a first cover material, with a coating material.
  • the coating material is applied to the component in the form of powder particles by means of a process gas stream by cold gas spraying, wherein the process gas stream is adjusted such that it contains both first powder particles, which, due to their speed, each remove a portion of the cover material, and second particles, which, due to their speed, experience deformation upon impact with the surface of the component and weld to the component surface, penetrating the oxide layer and creating a bond between the sprayed-on material and the insert.
  • the new surface thus consists of the sprayed-on material, for which materials with a low tendency to oxidation are selected, which also support the formation of the bond during casting.
  • the process results in an intermediate layer between the casting and the insert, which differs in its properties from both materials and can have a negative impact on the overall component behavior.
  • EP 0 854 763 B1 The aim of this study is to increase the strength of the intermetallic bond between an engine component made of an aluminum-based alloy and a reinforcement made of austenitic cast iron. To this end, the reinforcement is annealed in a decarburizing atmosphere prior to the Alfin process, which is known in the art, in order to obtain an Alfin layer largely free of graphite flakes.
  • the EP 0 498 719 A1 describes a two-step coating process: applying an oxidation-resistant metal followed by another layer, which is to be dissolved or dissolved during the aluminum casting process. Ultimately, the described solution aims to form a bond-forming layer between the insert and the casting material as an intermediate layer.
  • Zinc or zincate coatings ( US 5 293 923 A , DE 10 2007 026 005 A1 ) pursue the technological approach of deliberately leaving this coating as an adhesion promoter layer between the joining partners in the composite casting.
  • this coating As an adhesion promoter layer between the joining partners in the composite casting.
  • the formation of a bond-forming layer between the insert and the casting material is pursued as an intermediate layer.
  • document US 5 273 099 A shows a method for joining aluminum composite parts.
  • a chemical film containing potassium and fluorine is formed on an aluminum member, or a flux containing potassium and fluorine is applied to an aluminum member.
  • the coated aluminum member, along with a disposable pattern in a predetermined assembled state, is embedded in a mold containing molding sand.
  • a molten aluminum alloy is then poured into the mold, forming an aluminum alloy casting.
  • document US 4 643 241 A shows a process for producing an aluminum composite material, which is to be integrally formed by bonding aluminum or an aluminum alloy to an aluminum or aluminum alloy member formed in advance into a specified shape by the internal cooling method, etc.
  • the method includes the steps of forming a chemical conversion coating of pentafluoroaluminate (K2AlF5) by bringing a solution containing potassium ions and fluorine ions into contact with the surface of the aluminum member.
  • K2AlF5 pentafluoroaluminate
  • a method for producing a material-to-material bond between a cast part and an insert, by which the above-mentioned deficiencies are at least partially remedied comprises, for example, the features mentioned in claim 1.
  • the deficiencies mentioned above can be attributed in particular to This can be remedied by removing a barrier layer on the insert and using a protective layer on an insert that completely or at least partially prevents the formation of a new barrier layer, which is designed as a "sacrificial layer".
  • a protective layer is applied to a surface of the insert.
  • the insert which has the protective layer, is brought into contact with the casting material in the form of a melt.
  • the protective layer is removed by contact with the melt, so that the surface of the insert is exposed again.
  • the casting material comes into direct contact with the surface of the insert.
  • the casting material forms the material-to-material bond with this surface.
  • An intermediate product according to the application for use in a casting process is formed from an element provided as an insert with a protective layer arranged on a surface of the element provided as an insert.
  • the surface of the insert on which the protective layer is applied is, for example, oxide-free or low-oxide.
  • Aluminum in particular, is prone to oxidation in process-relevant atmospheres. Therefore, inserts often initially have an oxide layer as a barrier layer. This barrier layer is then removed to expose the surface of the purest possible non-oxidized aluminum ("core material” or "insert material”), which is later intended to form a direct, material-to-material bond with the melt.
  • barrier layers are also conceivable, such as hydroxide layers.
  • inserts should also be free of other types of barrier layers that would impede a direct, material-to-material bond between the core material and the melt.
  • a direct material-fit The aim is to bond the insert material or core material to the casting material, in particular without a bonding layer (intermetallic phase or similar) arranged in between.
  • the barrier layer can be removed in a preparatory step of the process, for example, by mechanical ablation, galvanic treatment, laser processing, or plasma treatment. After removal of the barrier layer, the protective layer is then applied, which primarily protects against further oxidation.
  • the protective layer can be, for example, a sol-gel layer (preferably containing silicon) and/or a plasma polymer layer (preferably containing silicon) and/or synthetic resin and/or epoxy resin and/or a polyelectrolyte multilayer (PEM) and/or a self-assembling monolayer (SAM) and/or polymer layer (which preferably contain nitrogen and/or sulfur and/or phosphorus) and/or metallic layer (which have been deposited by means of a brewing process and/or alternative electroplating processes and/or).
  • a sol-gel layer preferably containing silicon
  • a plasma polymer layer preferably containing silicon
  • synthetic resin and/or epoxy resin and/or a polyelectrolyte multilayer (PEM) and/or a self-assembling monolayer (SAM) and/or polymer layer (which preferably contain nitrogen and/or sulfur and/or phosphorus) and/or metallic layer (which have been deposited by means of a brewing process and/or alternative electroplating processes and/or).
  • the protective layer is preferably applied to the insert immediately after the possible removal of the barrier layer and covers the reactive surface of the insert.
  • the protective layer can prevent further reaction with the process-relevant atmosphere.
  • the removal of the barrier layer and/or application of the protective layer preferably takes place in a protective environment that protects against atmospheric oxygen, for example, in an inert gas such as argon or within a liquid, e.g., aqueous (weakly acidic pH ⁇ 4 or alkaline pH ⁇ 10). Both steps preferably take place in the same environment.
  • the removal of the barrier layer and/or application of the protective layer is carried out using inline and/or online monitoring, preferably using optical, chemical, or electrochemical methods. This monitoring serves to ensure the quality of the insert's surface properties.
  • the insert including the protective layer, is subjected to a casting process.
  • the reactive surface of the insert is released again so that a melt can come into contact with the barrier-free or barrier-poor surface of the insert and the formation of a material-tight connection is enabled.
  • the insert with the protective coating is brought into contact with the casting material in the form of a melt.
  • the insert can be completely surrounded by the melt, for example.
  • the surface of the insert can only come into contact with the melt in certain areas.
  • the protective layer is preferably removed by contact with the melt, so that the surface of the insert is exposed again.
  • the melt acting on the protective layer in such a way that it decomposes, and/or evaporates, and/or detaches, and/or washes away, and/or alloys with the protective layer.
  • the components are selected such that the melting, vapor, or decomposition points of the protective layer are below the solidus temperature of the core material of the insert.
  • the present application also discloses methods in which a substance, preferably containing chloride or fluoride, is applied to the barrier layer.
  • a substance preferably containing chloride or fluoride
  • This substance during the casting process, particularly under heat, leads to chemical decomposition of the barrier layer, thus exposing the surface of the insert, which comes into contact with the melt in situ before reoxidation of the insert surface occurs.
  • the barrier layer to which the substance was applied can be decomposed and/or evaporated and/or detached and/or washed away, for example, by the action of the melt.
  • the melt is preferably an aluminum melt.
  • the melt can also be an aluminum alloy and, for example, silicon and/or Contain zinc and/or copper and/or magnesium.
  • the melt may also contain zinc, magnesium, copper, iron or steel, nickel, titanium, or another metallic element, as well as alloys based on these elements.
  • the melt, especially aluminum melt exhibits a typical melting temperature during casting, depending on the alloy; for aluminum alloys, this temperature is approximately in the range of 550–850°C.
  • the melt can then come into direct contact with the barrier-free or barrier-poor surface of the insert and finally the casting material can form the material-to-material bond with this surface.
  • the insert may, for example, comprise aluminum. In particular, it may consist of aluminum or an aluminum alloy. Alternatively or additionally, the insert may also comprise or consist of magnesium and/or iron or steel and/or copper and/or titanium and/or zinc, or an alloy of these materials.
  • the invention can be used with particular advantage for aluminum-aluminum joints, i.e. the melt and insert are made of aluminum.
  • the melt can be brought into contact with the insert, in particular the surface of the insert, in particular during a die-casting process.
  • the insert together with the protective layer on its surface, is preheated.
  • the insert with the protective layer can then be brought into contact with the melt in a heated state. This can, for example, promote the dissolution or detachment process of the protective layer and/or the formation of the cohesive bond.
  • a subsequent heat treatment is carried out on the insert and the cast material arranged thereon.
  • the material connection between these two components of the composite component can be achieved by the heat treatment. created and/or promoted and/or matured. This means that it is possible that the material-to-material bond is created, promoted or matured subsequently, whereby the process for forming the material-to-material bond does not take place or does not take place sufficiently or is not completed during the recasting, but is initiated and/or completed in the post-processing step.
  • An intermediate product for use in a casting process is formed from an element provided as an insert, wherein a protective layer according to the application is arranged on a surface of the element provided as an insert.
  • the protective layer is, for example, in direct contact with the surface of the element intended as an insert, which is free of a barrier layer and in particular is oxide-free or low in oxide.
  • Fig. 1a shows an insert 1 that is to be joined to a cast material.
  • the insert 1 can be an aluminum semi-finished product.
  • Fig. 1a shows an initial state in which an entire surface 1' of the insert 1 is covered with a barrier layer 4 of natural aluminum oxide. This barrier layer 4 is removed in a preparatory step. The removal occurs, for example, via a mechanical-abrasive or a chemical-galvanic or a laser-based or plasma-based cleaning process.
  • Fig. 1b shows the process by which the barrier layer 4 of natural aluminum oxide was removed from the surface 1' of the insert 1. This exposes "bare” and oxide-free or low-oxide aluminum on the surface 1'.
  • the removal process takes place in the absence of atmospheric oxygen, as shown here as an example in a protective environment 6, for example a protective gas atmosphere of argon or similar, or in a fluidic protective environment.
  • a protective environment 6 for example a protective gas atmosphere of argon or similar, or in a fluidic protective environment.
  • Fig. 1c shows that in order to permanently prevent new oxidation, a protective layer 3 is applied to the surface 1' of the insert 1 in a protective environment 6.
  • This protective layer 3 preferably does not form a bond to the base material of the insert 1, but is preferably diffusion-tight and thus prevents the contact of atmospheric oxygen and other covering layer-forming elements with the surface 1'.
  • the application is therefore preferably immediately after process step 1 under the same protective environment 6 from the previous process step, in which the barrier layer 4 is removed.
  • the protective layer 3 is formed, for example, from a sol-gel layer, preferably a silicon-containing sol-gel layer and/or from a plasma polymer layer, preferably a silicon-containing plasma polymer layer and/or from synthetic resin and/or from epoxy resin and/or from a polyelectrolyte multilayer (PEM) and/or from a self-assembling monolayer (SAM) and/or from a polymer layer, preferably containing nitrogen and/or sulfur and/or phosphorus and/or from a metallic layer.
  • PEM polyelectrolyte multilayer
  • SAM self-assembling monolayer
  • the protective layer 3 is formed, for example, in a brewing process and/or in an electroplating process and/or by deposition.
  • Fig. 1d Illustrates that the protective layer 3 serving as an oxidation protection layer remains on the insert 1, so that the insert can be removed from the protective environment 6, for example, the protective gas or protective fluid, for storage and transport and transported in the air.
  • This is therefore an intermediate product for use in a casting process, wherein the intermediate product contains the insert 1 and wherein the protective layer 3 is arranged on a surface 1' of the insert 1 element.
  • This intermediate product can therefore be produced as a supplier part and subsequently fed directly into the casting process.
  • Fig. 1e to 1j illustrate the formation of the material-locking connection:
  • the coated (possibly preheated) insert 1 together with the protective layer 3 on its surface 1' is inserted into a casting tool 5 ( Fig. 1e ).
  • Fig. 1f illustrates that the insert 1 is completely or preferably partially cast with a melt 2' (e.g., aluminum melt) in the casting tool 5.
  • a melt 2' e.g., aluminum melt
  • a pressure-assisted casting process is preferably provided, in particular a die casting process, but it can also be a low-pressure casting process or a gravity casting process. It is also conceivable that the insert is only cast in certain areas.
  • Fig. 1g to 1i illustrate that the thermal and/or mechanical action of the melt, for example, causes the protective layer 3 to peel off or peel off from the surface 1' of the insert 1, whereby the bare, barrier-layer-poor or barrier-layer-free, in particular low-oxide or oxide-free aluminum is exposed again (hence the alternative term "sacrificial layer").
  • the exposed aluminum surface Due to the high speed of mold filling in the die-casting process and, if necessary, an actively created absence of atmospheric oxygen due to a vacuum in the mold, the exposed aluminum surface has no reaction time to form a new barrier layer.
  • the molten aluminum 2' can thus establish direct contact with the aluminum surface 1' and enable the surface of the insert to melt or melt to form a material-tight connection.
  • the components of the protective layer 3 are at least partially and preferably completely detached from the insert and transported or washed into the casting or onto its surface ( Fig. 1g ).
  • the protective layer can be flushed into overflows.
  • the protective layer 3 can also be melted and/or dissolved and alloyed with the aluminum melt or remain as a dissolved foreign substance in the aluminum casting ( Fig. 1h ).
  • the protective layer 3 can alternatively or additionally change into the gaseous state due to the thermal action of the molten aluminum 2' and be sucked off parallel to the filling of the casting mold 5 ( Fig. 1i ).
  • Fig. 1j shows the cast composite component in which the melt has solidified into an aluminum casting material 2 containing the insert 1.
  • a subsequent heat treatment may be carried out.
  • a subsequent heat treatment of the composite component may be provided to subsequently create, promote, or mature the material bond. This means that it is conceivable that the process for forming the material bond could be carried out during the casting process ( Fig. 1f and 1g or 1h or 1i) does not take place or does not take place sufficiently or is not completed, but is triggered and/or completed in the post-processing step.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen einem Einlegeteil (1) und einem Gussmaterial (2), wobei eine Schutzschicht (3) auf eine Oberfläche (1') des Einlegeteils (1) aufgebracht wird, das Einlegeteil (1), das die Schutzschicht (3) aufweist, in Kontakt mit dem Gussmaterial (2) in Form einer Schmelze (2') gebracht wird, die Schutzschicht (3) durch den Kontakt mit der Schmelze (2') entfernt wird, so dass die Oberfläche (1') des Einlegeteils (1) wieder freigelegt wird, und das Gussmaterial (2) in direkten Kontakt mit der Oberfläche (1') des Einlegeteils (1) gelangt, und mit dieser Oberfläche (1') die stoffschlüssige Verbindung ausbildet. Die Erfindung betrifft auch ein Zwischenprodukt, zur Verwendung in einem Gießverfahren, wobei das Zwischenprodukt gebildet ist aus einem als Einlegeteil (1) vorgesehenen Element, wobei eine Schutzschicht (3) auf einer Oberfläche (1') des als Einlegeteil (1) vorgesehenen Elements angeordnet ist.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Gießereitechnik. Sie betrifft Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen einem Einlegeteil und Gussmaterial, insbesondere Aluminium. Sie betrifft außerdem ein Zwischenprodukt zur Verwendung in einem Gießverfahren.
    • Hintergrund und technische Problemstellungen
  • Aluminium bietet aufgrund seiner geringen Dichte, hohen spezifischen Festigkeit und guten natürlichen Korrosionsbeständigkeit umfangreiche Potenziale für den Leichtbau. Angewendet wird der Werkstoff als Guss- und Knetlegierung insbesondere im Automobilbau für die Karosserie. Etabliert sind montierte Aluminium-Konstruktionen bestehend aus komplex geformten Gussstrukturen und einfachen Blech-/Profilstrukturen, die miteinander auf konventionelle Weise gefügt werden. Wünschenswert ist eine gießtechnisch realisierte Verbindung, bei der Blech- und/oder Profilelemente (= "Eingießteile", "Einlegeteil" oder "Einleger") vorzugsweise direkt während des Gießprozesses stoffschlüssig mit Gussstrukturen verbunden werden direkt während des Gießprozesses, indem die Einlegeteile von der Metallschmelze angegossen bzw. umgossen werden, an der Oberfläche aufschmelzen und anschließend eine stoffschlüssige Verbindung entsteht. Dieses Konzept wird in der Fachwelt als Verbundgießen bezeichnet und ist ein effektiver Weg, um unter Vermeidung zusätzlicher Fügeoperationen eine Verbindung zwischen einem Gussteil und einer weiteren Bauteilkomponente (= Einlegeteil) zu erzielen. Dabei kann das Einlegeteil aus identischem, artgleichem (z. B. Aluminium-Einleger in Al-Guss, Stahl-Einleger in Gusseisen oder Stahlguss etc.) oder artfremden Material bestehen. Die Ausbildung der Verbindung zwischen Guss- und Einlegeteil kann über Kraft-, Form- oder Stoffschluss sowie über Kombinationen dieser grundlegenden Mechanismen realisiert werden.
  • Die Anforderungen an die Verbindung unterscheiden sich dabei entsprechend dem Verwendungszweck des herzustellenden Zusammenbaus v.a. in der Übertragung von Kräften, Wärme und/oder elektrischer Energie. In allen Fällen, insbesondere aber bei der Übertragung von Wärme oder elektrischer Energie, wird ein stoffschlüssiger Verbund bevorzugt. Entsprechend stellt das Verbundgießen von schmelzflüssigem Aluminiummaterial mit festem Aluminium-Halbzeugmaterial als Einlegeteil - unter der Zielstellung einer stoffschlüssigen Verbindung - eine bisher technisch nicht zufriedenstellend gelöste Herausforderung dar.
  • Problematisch erweist sich hierbei die auf Aluminiumoberflächen entstehende Korrosionsschutzschicht aus Aluminiumoxid (Al2O3), die auf natürliche Weise bereits bei Kontakt mit geringen Mengen an Sauerstoff entsteht. Es bildet sich eine fest haftende Oxidschicht aus, die aufgrund ihrer hohen Festigkeit und einem Schmelzpunkt von rund 2.000°C als eine "Sperrschicht" auf dem anzugie-ßenden Einlegeteil wirkt und das Anschmelzen des Aluminium-Halbzeug bei Kontakt mit Aluminiumschmelze behindert.
  • Wichtig ist hierbei, zu unterscheiden zwischen Gießverfahren mit hoher und mit geringer Temperatureinwirkung bei den Gieß- und Erstarrungsphasen. Beim sogenannten Schwerkraft- oder Kokillengießen füllt Aluminiumschmelze langsam fließend die Gießform. Dabei kann die Schmelze vergleichsweise langsam entlang des Einlegeteils fließen und somit vergleichsweise hohen Wärmeeintrag in das Einlegeteil bewirken. Hinzu kommt, dass in diesen Verfahren i.d.R. vergleichsweise dickwandige Wandstärken gegossen werden (bis zu mehreren Zentimeter), wodurch der Effekt des Wärmeeintrags von der Schmelze in das Einlegeteil verstärkt wird. Beide Effekte können dazu führen, dass der Aluminium-Werkstoff des Einlegeteils erweicht oder gar aufgeschmolzen wird, wodurch das Einlegeteil instabil wird und keinen festen Untergrund mehr bietet für eine Oxid- oder anders geartete Sperrschicht. Dadurch kann diese einreißen oder einbrechen und sich vom Einlegeteil ablösen. Weiterhin kann die Sperrschicht auf diese Weise von der fließenden Metallschmelze mitgerissen und in das Bauteil oder an dessen Oberfläche gespült werden. Das an- oder aufgeschmolzene Halbzeug des Einlegeteils hat nun direkten Kontakt zur Metallschmelze und kann eine stoffschlüssige Verbindung eingehen. Beim Druckgießen hingegen erfolgt die Füllung der Gießform und somit das Ein- oder Umgießen des Einlegeteils vergleichsweise schnell binnen weniger bis hin zu ca. 100 Millisekunden. Zudem ist der Prozess charakterisiert durch eine eher sprühende, in Tröpfchen verteilte Füllung der Form, weniger durch einen laminaren Schmelzefluss. Dadurch kann der strömende Effekt zur Temperaturübertragung von der Schmelze auf das Einlegeteil vergleichsweise geringer sein. Weiterhin werden im Druckguss i.d.R. Bauteile geringer Wandstärke zwischen 2 -10 mm hergestellt, wodurch weniger Volumen an Metallschmelze für eine Temperaturübertragung von der Schmelze auf das Einlegeteil bereitsteht. Im Druckgießverfahren sind daher keine technischen Lösungen bekannt, die das Aufreißen und Ablösen der Oxidschichten auf Aluminium-Einlegeteilen beabsichtigen bzw. ermöglichen. Die Verbesserung der stoffschlüssigen Anbindung, insbesondere in Druckgießverfahren, ist daher ein Aspekt dieser Anmeldung, doch auch bei anderen Gießverfahren können die Vorteile der Erfindung zum Tragen kommen.
    • Stand der Technik
  • DE 10 2020 206 009 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zum Beschichten eines Bauteils aus einem Grundwerkstoff, das eine, insbesondere geschlossene Deckschicht aus einem ersten Deckmaterial trägt, mit einem Beschichtungswerkstoff. Um einen guten stoffschlüssigen Verbund des Grundwerkstoffs des Bauteils mit dem Beschichtungswerkstoff zu erreichen, ist vorgesehen, dass der Beschichtungswerkstoff in Form von Pulverpartikeln mittels eines Prozessgasstroms durch Kaltgasspritzen auf das Bauteil aufgebracht wird, wobei der Prozessgasstrom derart eingestellt wird, dass er sowohl erste Pulverpartikel enthält, die aufgrund ihrer Geschwindigkeit jeweils einen Teil des Deckmaterials abtragen, als auch zweite Partikel, die aufgrund ihrer Geschwindigkeit beim Aufprall auf der Oberfläche des Bauteils eine Verformung erfahren und mit der Bauteiloberfläche verschweißen, wobei die Oxidschicht durchschlagen und eine Verbindung zwischen aufgesprühtem Material und Einleger erzeugt wird. Die neue Oberfläche besteht damit aus dem aufgesprühten Material, für das Werkstoffe mit geringer Oxidationsneigung gewählt werden, die zudem die Verbindungsbildung beim Gießen unterstützen. Das Verfahren führt dabei speziell im Druckguss zu einer Zwischenschicht zwischen Gussteil und Einleger, die in ihren Eigenschaften von beiden Werkstoffen abweicht und das Bauteilverhalten insgesamt negativ beeinflussen kann.
  • EP 0 854 763 B1 befasst sich damit, dass die Festigkeit der intermetallischen Bindung zwischen einem Motoren-Bauteil aus einer Aluminium-Basis-Legierung und einem Bewehrungsteil aus austenitischem Gusseisen erhöht werden soll. Hierzu wird das Bewehrungsteil vor der Durchführung des im Stand der Technik bekannten Alfin-Verfahrens in einer entkohlenden Atmosphäre geglüht, um eine von Graphitlamellen weitgehend freie Alfin-Schicht zu erhalten.
  • Die EP 0 498 719 A1 beschreibt ein zweistufiges Beschichtungsverfahren - Aufbringen eines oxidationsbeständigen Metalls und darauf eine weitere Schicht, die durch den Aluminiumgießprozess angelöst oder aufgelöst werden soll. Am Ende verfolgt die beschriebene Lösung die Bildung einer verbindungsbildenden Schicht zwischen Einleger und Gussmaterial als Zwischenschicht.
  • Weitere Ansätze (z.B. US 5 377 742 A , DE 19 736 790 A1 ) beschäftigen sich mit dem Aufbringen von oxidationshemmenden Schichten auf einem Aluminium-einleger. Hierbei soll diese Schicht neben der Oxidationshemmung auch die Verbindung zum Gussmaterial übernehmen.
  • Zink- oder Zinkatbeschichtungen ( US 5 293 923 A , DE 10 2007 026 005 A1 ) verfolgen den technologischen Ansatz, dass diese Beschichtung bewusst als Haftvermittlerschicht zwischen den Fügepartnern im Verbundguss verbleibt. Auch hier wird die Bildung einer verbindungsbildenden Schicht zwischen Einleger und Gussmaterial als Zwischenschicht verfolgt.
  • Dokument US 5 273 099 A zeigt ein Verfahren zum Verbinden von Aluminium-Verbundteilen. Ein chemischer Film, der Kalium und Fluor enthält, wird auf einem Aluminiumelement gebildet oder ein Flussmittel, das Kalium und Fluor enthält, wird auf ein Aluminiumelement aufgetragen. Das beschichtete Aluminiumelement wird zusammen mit einem Einwegmuster in einem vorbestimmten zusammengesetzten Zustand in eine Form mit Formsand eingebettet. Dann wird eine geschmolzene Aluminiumlegierung in die Form gegossen, wodurch ein Gussteil aus einer Aluminiumlegierung geformt wird.
  • Dokument US 4 643 241 A zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminium-Verbundmaterials, das durch Verbinden von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einem Bauteil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, das im Voraus in einer bestimmten Form durch das Verfahren der inneren Abkühlung usw. geformt wird, einstückig zu bilden ist. Das Verfahren umfasst die Schritte der Bildung einer chemischen Umwandlungsbeschichtung aus Pentafluoraluminat (K2AlF5), indem eine Lösung, die Kaliumionen und Fluorionen enthält, in Kontakt mit der Oberfläche des Aluminiumelements gebracht wird.
  • Nichtpatentliteratur:
    • Schwankl, M. (2017): Al-Al-Verbundguss - Technologische Grundlagen und werkstoffkundliche Charakterisierung der stofflichen Anbindung von Aluminiumknetlegierungen im Aluminium Druckguss. Erlangen, FAU University Press, 2017.
    • Pintore, M. (2020): Gießtechnische Herstellung und technologische Charakterisierung von Kupfer-Aluminium-Schichtverbunden. München, TUM University Press, 2021.
    Abriss der Erfindung
  • Ein Verfahren zur Erzeugung eines stoffschlüssigen Verbundes zwischen einem Gussteil und einem Einlegeteil, durch das die oben genannten Unzulänglichkeiten zumindest teilweise behoben werden, umfasst beispielsweise die in Anspruch 1 genannten Merkmale.
  • Ebenfalls behoben werden die Unzulänglichkeiten durch ein Zwischenprodukt zur Verwendung in einem Gießverfahren gemäß dem nebengeordneten Anspruch.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen lassen sich den abhängigen Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren entnehmen.
  • Anmeldungsgemäß können die eingangs erwähnten Unzulänglichkeiten insbesondere dadurch behoben werden, dass nach einer Entfernung einer Sperrschicht auf dem Einleger eine die Neubildung derselben ganz oder zumindest teilweise verhindernde Schutzschicht auf einem Einlegeteil zum Einsatz kommt, die als "Opferschicht" ausgebildet wird.
  • Bei einem anmeldungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen einem Einlegeteil und einem Gussmaterial wird eine Schutzschicht auf eine Oberfläche des Einlegeteils aufgebracht. Das Einlegeteil, das die Schutzschicht aufweist, wird in Kontakt mit dem Gussmaterial in Form einer Schmelze gebracht. Die Schutzschicht wird durch den Kontakt mit der Schmelze entfernt, so dass die Oberfläche des Einlegeteils wieder freigelegt wird. Das Gussmaterial gelangt in direkten Kontakt mit der Oberfläche des Einlegeteils. Das Gussmaterial bildet mit dieser Oberfläche die stoffschlüssige Verbindung aus.
  • Ein anmeldungsgemäßes Zwischenprodukt zur Verwendung in einem Gießverfahren ist gebildet aus einem als Einlegeteil vorgesehenen Element mit einer Schutzschicht, die auf einer Oberfläche des als Einlegeteil vorgesehenen Elements angeordnet ist.
  • Bei dem Verfahren oder bei dem Zwischenprodukt ist die Oberfläche des Einlegeteils, auf der die Schutzschicht angeordnet ist, beispielsweise oxidfrei oder oxidarm. Insbesondere Aluminium neigt unter prozessrelevanter Atmosphäre zu Oxidation. Häufig liegen daher Einlegeteile zunächst mit einer Oxidschicht als Sperrschicht vor. Diese Sperrschicht wird dann zunächst entfernt, um die Oberfläche aus möglichst reinem nicht oxidierten Aluminium ("Kernmaterial" bzw. "Einlegermaterial") freizulegen, die später direkt mit der Schmelze in stoffschlüssige Verbindung gehen soll.
  • Es sind aber auch andersartige Sperrschichten denkbar, beispielsweise Hydroxidschichten. Anmeldungsgemäß sollen Einlegeteile auch im weiteren Sinne frei von andersartigen Sperrschichten sein, die eine direkte stoffschlüssige Verbindung des Kernmaterials mit der Schmelze behindern würden.
  • Wie aus diesen Ausführungen ersichtlich ist, wird also eine direkte stoffschlüssige Verbindung des Einlegermaterials oder Kernmaterials mit dem Gussmaterial angestrebt, insbesondere auch ohne eine dazwischen angeordnete verbindungsbildende Schicht (intermetallische Phase o.ä.).
  • Die Sperrschicht kann in einem vorbereitenden Schritt des Verfahrens beispielsweise durch mechanisches Abtragen, galvanische Behandlung, Laserbearbeitung oder Plasmabehandlung entfernt werden. Nach Entfernung der Sperrschicht wird dann die Schutzschicht aufgebracht, die insbesondere vor erneuter Oxidation schützt.
  • Die Schutzschicht kann beispielsweise eine Sol-Gel-Schicht (vorzugsweise siliziumhaltig) und/oder eine Plasmapolymerschicht (vorzugsweise siliziumhaltig) und/oder Kunstharz und/oder Epoxidharz und/oder ein Polyelektrolytmultilayer (PEM) und/oder eine selbstorganisierende Monoschicht (SAM) und/oder Polymerschicht (welche vorzugsweise Stickstoff und/oder Schwefel und/oder Phosphor enthalten) und/oder metallische Schicht (u.a. welche mittels Sudverfahren und/oder alternativer Galvanikverfahren und/oder abgeschieden wurden) sein.
  • Die Schutzschicht wird vorzugsweise unmittelbar nach der möglichen Entfernung der Sperrschicht auf das Einlegeteil aufgebracht und bedeckt die reaktive Oberfläche des Einlegeteils. Durch die Schutzschicht kann eine weitere Reaktion mit der prozessrelevanten Atmosphäre verhindert werden.
  • Die Entfernung der Sperrschicht und/oder Aufbringung der Schutzschicht erfolgt vorzugsweise in einer vor Luftsauerstoff schützenden Schutzumgebung, beispielsweise in Inertgasen wie bspw. Argon oder innerhalb einer Flüssigkeit, bspw. wässrig (schwach sauer pH-Wert ≤ 4 oder alkalisch pH-Wert ≥ 10). Vorzugsweise erfolgen beide Schritte in derselben Umgebung.
  • Die Entfernung der Sperrschicht und/oder Aufbringung der Schutzschicht erfolgt mittels inline- und/oder online-Monitoring, vorzugsweise mittels optischer, chemischer oder elektrochemischer Verfahren. Das Monitoring dient der Qualitätssicherung der Oberflächeneigenschaften des Einlegers.
  • Das Einlegeteil mitsamt der Schutzschicht wird einem Gießvorgang zugeführt.
  • Während eines Gießvorganges wird die reaktive Oberfläche des Einlegeteils wieder freigegeben, so dass eine Schmelze in Kontakt mit der sperrschichtfreien oder -armen Oberfläche des Einlegeteils treten kann und die Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung ermöglicht wird.
  • Beispielsweise wird das Einlegeteil, das die Schutzschicht aufweist, in Kontakt mit dem Gussmaterial in Form einer Schmelze gebracht. Das Einlegeteil kann dabei beispielsweise gänzlich von der Schmelze umgossen werden. Alternativ ist es möglich, dass die Oberfläche des Einlegeteils nur bereichsweise mit der Schmelze in Berührung kommt.
  • Die Schutzschicht wird vorzugsweise durch den Kontakt mit der Schmelze entfernt, so dass die Oberfläche des Einlegeteils wieder freigelegt wird.
  • Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Schmelze derart auf die Schutzschicht wirkt, dass sie die Schutzschicht zersetzt, und/oder verdampft und/oder ablöst und/oder wegschwemmt und/oder mit der Schutzschicht in Legierung geht. In einer beispielhaften Ausführung des Verfahrens werden die Komponenten derart gewählt, dass die Schmelz- bzw. Dampf- bzw. Zersetzungspunkte der Schutzschicht unterhalb der Solidustemperatur des Kernmaterials des Einlegeteils liegen.
  • Die vorliegende Anmeldung offenbart auch Verfahren, bei denen eine Substanz, vorzugsweise chlorid- oder fluoridhaltig, auf die Sperrschicht aufgetragen wird, welche während des Gießprozesses, insbesondere unter Temperaturzuführung, zu einer chemischen Zersetzung der Sperrschicht führt, so dass die Oberfläche des Einlegeteils freigelegt wird, welche in situ mit der Schmelze in Kontakt kommt, ehe es zur Reoxidation der Oberfläche des Einlegeteils kommt. Dabei kann die Sperrschicht, auf die die Substanz aufgetragen wurde, beispielsweise durch Einwirkung der Schmelze zersetzt und/oder verdampft und/oder abgelöst und/oder wegschwemmt werden. Die Anmelderin behält sich vor, solche Ausführungen zu beanspruchen.
  • Die Schmelze ist vorzugsweise eine Aluminiumschmelze. Die Schmelze kann aber auch eine Aluminiumlegierung sein und beispielsweise Silizium und/oder Zink und/oder Kupfer und/oder Magnesium enthalten. Ebenso kann es sich bei der Schmelze um Zink, Magnesium, Kupfer, Eisen bzw. Stahl, Nickel, Titan oder ein anderes metallisches Element handeln, sowie um Legierungen auf Basis der betreffenden Elemente. Die Schmelze, insbesondere Aluminiumschmelze, weist während des Gießens eine legierungsabhängige übliche Schmelzetemperatur auf, für Aluminiumlegierungen etwa im Bereich zwischen 550 - 850 °C.
  • Die Schmelze kann dann in direkten Kontakt mit der sperrschichtfreien oder - armen Oberfläche des Einlegeteils gelangen und schließlich kann das Gussmaterial mit dieser Oberfläche die stoffschlüssige Verbindung ausbilden.
  • Das Einlegeteil kann beispielsweise Aluminium umfassen. Insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Das Einlegeteil kann alternativ oder zusätzlich beispielsweise auch Magnesium und/oder Eisen bzw. Stahl und/oder Kupfer und/oder Titan und/oder Zink umfassen oder daraus bestehen oder aus einer Legierung dieser Materialien bestehen.
  • Mit besonderem Vorteil ist die Erfindung für Aluminium-Aluminium-Verbindungen einsetzbar, d.h. Schmelze und Einlegeteil sind aus Aluminium.
  • Die Schmelze kann insbesondere im Rahmen eines Druckgießverfahrens in den Kontakt mit dem Einlegeteil, insbesondere der Oberfläche des Einlegeteils gebracht werden.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass das Einlegeteil mitsamt der an seiner Oberfläche befindlichen Schutzschicht vorgewärmt wird. Das Einlegeteil mit der Schutzschicht kann dann in einem erwärmten Zustand in Kontakt mit der Schmelze gebracht werden. Dadurch können bspw. der Auflösungs- bzw. Ablösungsprozess der Schutzschicht und/oder die Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung begünstigt werden.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine nachträgliche Wärmebehandlung an dem Einlegeteil und dem daran angeordneten Gussmaterial vorgenommen. Insbesondere kann die stoffschlüssige Verbindung zwischen diesen beiden Komponenten des Verbundbauteils durch die Wärmebehandlung erzeugt und/oder gefördert und/oder ausgereift werden. D.h., es ist möglich, dass die stoffschlüssige Verbindung im Nachgang erzeugt, gefördert oder ausgereift wird, wobei der Prozess zur Bildung der stoffschlüssigen Verbindung während des Umgießens nicht oder nicht ausreichend stattfindet oder nicht abgeschlossen wird, sondern im Nachbearbeitungsschritt ausgelöst und/oder abgeschlossen wird.
  • Ein Zwischenprodukt zur Verwendung in einem Gießverfahren ist aus einem als Einlegeteil vorgesehenen Element gebildet, wobei eine anmeldungsgemäße Schutzschicht auf einer Oberfläche des als Einlegeteil vorgesehenen Elements angeordnet ist.
  • Die Schutzschicht steht dabei beispielsweise in direktem Kontakt mit der Oberfläche des als Einlegeteil vorgesehenen Elements, die frei von einer Sperrschicht und insbesondere oxidbefreit oder oxidarm ist.
  • Es versteht sich, dass die im Rahmen des Verfahrens hinsichtlich des Einlegeteils und/oder der Schutzschicht beschriebenen Aspekte auch für das Zwischenprodukt beansprucht werden können und umgekehrt.
  • Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der angehängten Figuren erläutert.
    • Kurzbeschreibung der Figuren
  • In den Figuren zeigt
    • Fig. 1a
    ein Einlegeteil mit einer Sperrschicht,
    Fig. 1b
    ein Entfernen der Sperrschicht unter Schutzumgebung
    Fig. 1c
    ein Aufbringen einer Schutzschicht auf das Einlegeteil unter der Schutzumgebung,
    Fig. 1d
    ein Zwischenprodukt, bestehend aus dem Einlegeteil mit der Schutzschicht,
    Fig. 1e
    ein Gießwerkzeug, in das das Einlegeteil mit der Schutzschicht eingelegt ist,
    Fig. 1f
    ein Einbringen eines Gießmaterials in Form einer Schmelze in
    Fig. 1g
    das Gießwerkzeug während eines Gießvorganges, ein Wegspülen der Schutzschicht während des Gießvorgangs,
    Fig. 1h
    ein Lösen der Schutzschicht in der Schmelze,
    Fig. 1i
    ein Übergehen der Schutzschicht in den gasförmigen Zustand,
    Fig. 1j
    eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der von der Schutzschicht befreiten Oberfläche des Einlegeteils und dem Gießmaterial.
    Ausführliche Beschreibung der Figuren
  • Fig. 1a zeigt ein Einlegeteil 1, das mit einem Gussmaterial verbunden werden soll. Beispielsweise kann das Einlegeteil 1 ein Aluminium-Halbzeug sein. Fig. 1a zeigt dabei einen initialen Zustand, in dem eine gesamte Oberfläche 1' des Einlegeteils 1 mit einer Sperrschicht 4 natürlichen Aluminiumoxids bedeckt ist. Diese Sperrschicht 4 wird in einem vorbereitenden Schritt entfernt. Die Entfernung geschieht bspw. über einen mechanisch-abrasiven oder einen chemisch-galvanischen oder einen laserbasierten oder einen plasmabasierten Reinigungsprozess.
  • Fig. 1b zeigt den Prozess, bei dem die Sperrschicht 4 natürlichen Aluminiumoxids von der Oberfläche 1' des Einlegeteils 1 entfernt wurde. Dadurch wird "blankes" und oxidfreies oder oxidarmes Aluminium an der Oberfläche 1' freigelegt.
  • Zur kurzzeitigen Vermeidung von Neuoxidation erfolgt der Prozess der Entfernung unter Ausschluss von Luftsauerstoff, wie hier beispielhaft dargestellt unter einer Schutzumgebung 6, beispielsweise einer Schutzgasatmosphäre aus bspw. Argon o.ä., oder unter einer fluidischen Schutzumgebung.
  • Fig. 1c zeigt, dass zur dauerhaften Vermeidung von Neuoxidation eine Schutzschicht 3 auf die Oberfläche 1' des Einlegeteils 1 in einer Schutzumgebung 6 aufgetragen wird. Diese Schutzschicht 3 bildet vorzugsweise keine Verbindung zum Grundwerkstoff des Einlegeteils 1, ist aber vorzugsweise diffusionsdicht und verhindert somit den Kontakt von Luftsauerstoff und anderen deckschichtbildenden Elementen mit der Oberfläche 1'. Der Auftrag erfolgt daher vorzugsweise unmittelbar nach Prozessschritt 1 unter gleicher Schutzumgebung 6 aus dem vorhergehenden Prozessschritt, in dem die Sperrschicht 4 entfernt wird. Die Schutzschicht 3 ist beispielsweise aus einer Sol-Gel-Schicht, vorzugsweise einer siliziumhaltigen Sol-Gel-Schicht und/oder aus einer Plasmapolymerschicht, vorzugsweise einer siliziumhaltigen Plasmapolymerschicht und/oder aus Kunstharz und/oder aus Epoxidharz und/oder aus einem Polyelektrolytmultilayer (PEM) und/oder aus einer selbstorganisierenden Monoschicht (SAM) und/oder aus einer Polymerschicht, vorzugsweise Stickstoff und/oder Schwefel und/oder Phosphor enthaltend und/oder aus einer metallischen Schicht gebildet. Die Schutzschicht 3 wird beispielsweise in einem Sudverfahren gebildet und/oder in einem Galvanikverfahren und/oder durch Abscheidung.
  • Fig. 1d illustriert, dass die als Oxidationsschutzschicht dienende Schutzschicht 3 auf dem Einlegeteil 1 verbleibt, so dass dieses für Lagerung und Transport der Schutzumgebung 6, also beispielsweise dem Schutzgas oder Schutzfluid entnommen und an der Luft transportiert werden kann. Es handelt sich also um ein Zwischenprodukt für die Verwendung in einem Gießverfahren, wobei das Zwischenprodukt das Einlegeteil 1 enthält und wobei die Schutzschicht 3 auf einer Oberfläche 1' des Einlegeteils 1 Elements angeordnet ist. Dieses Zwischenprodukt kann also als Zulieferteil produziert und anschließend direkt in den Gießprozess zugeführt werden.
  • Fig. 1e bis 1j illustrieren die Bildung der stoffschlüssigen Verbindung: Das beschichtete (ggf. vorgewärmte) Einlegeteil 1 mitsamt der an seiner Oberfläche 1' befindlichen Schutzschicht 3 wird in ein Gießwerkzeug 5 eingesetzt (Fig. 1e).
  • Fig. 1f illustriert, dass das Einlegeteil 1 im dem Gießwerkzeug 5 mit einer Schmelze 2' (bspw. Aluminiumschmelze) vollständig oder vorzugsweise anteilig umgossen wird. Hierzu ist vorzugsweise ein druckunterstütztes Gießverfahren vorgesehen, insbesondere ein Druckgießverfahren, es kann aber ebenfalls ein Niederdruckgießverfahren oder Schwerkraftgießverfahren sein. Es ist dabei auch denkbar, dass das Einlegeteil nur bereichsweise angegossen wird.
  • Fig. 1g bis 1i illustrieren, dass die thermische und/oder mechanische Einwirkung der Schmelze beispielsweise ein Auf- oder Ablösen der Schutzschicht 3 von der Oberfläche 1' des Einlegeteils 1 bewirkt, wodurch das blanke, sperrschichtarme oder -freie, insbesondere oxidarme oder oxidfreie Aluminium wieder freigelegt wird (daher auch die alternative Bezeichnung "Opferschicht"). Aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Formfüllung im Druckgießverfahren und ggf. einer aktiv erzeugten Abwesenheit von Luftsauerstoff aufgrund eines Vakuums in der Gießform hat die freie Aluminiumoberfläche keine Reaktionszeit zur Bildung einer neuen Sperrschicht. Das schmelzflüssige Aluminium 2' kann somit direkten Kontakt zur Aluminiumoberfläche 1' herstellen und ein An- bzw. Aufschmelzen der Oberfläche vom Einlegeteil ermöglichen zur Bildung einer stoffschlüssigen Verbindung.
  • Die Bestandteile der Schutzschicht 3 werden vom Einlegeteil mindestens teilweise und vorzugsweise vollständig abgelöst und in das Gussteil oder an dessen Oberfläche transportiert bzw. geschwemmt (Fig. 1g). Beispielsweise kann die Schutzschicht in Überläufe gespült werden.
  • Wahlweise kann die Schutzschicht 3 alternativ oder zusätzlich auch aufgeschmolzen und/oder aufgelöst und in Legierung mit der Aluminiumschmelze gehen oder als gelöster Fremdstoff im Aluminiumguss verbleiben (Fig. 1h).
  • Wahlweise kann die Schutzschicht 3 durch die thermische Einwirkung des schmelzflüssigen Aluminiums 2' alternativ oder zusätzlich in den gasförmigen Zustand übergehen und parallel zur Füllung der Gießform 5 abgesaugt werden (Fig. 1i).
  • Fig. 1j zeigt das gegossene Verbundbauteil, bei dem die Schmelze zu einem Aluminiumgussmaterial 2 erstarrt ist, das das Einlegeteil 1 enthält.
  • Ggf. kann eine nachträgliche Wärmebehandlung erfolgen. Beispielsweise kann eine nachträgliche Wärmebehandlung des Verbundbauteils vorgesehen sein, die die stoffschlüssige Verbindung im Nachgang erzeugt, fördert oder ausreift. D.h., es ist denkbar, dass der Prozess zur Bildung der stoffschlüssigen Verbindung während des Umgießens (Fig. 1f und 1g oder 1h oder 1i) nicht oder nicht ausreichend stattfindet oder nicht abgeschlossen wird, sondern im Nachbearbeitungsschritt ausgelöst und/oder abgeschlossen wird.
  • Die vorliegende Offenbarung umfasst unter anderem die folgenden Aspekte, die für das Verständnis der Erfindung hilfreich sein können:
    1. 1. Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen einem Einlegeteil (1) und einem Gussmaterial (2), wobei
      • eine Schutzschicht (3) auf eine Oberfläche (1') des Einlegeteils (1) aufgebracht wird,
      • das Einlegeteil (1), das die Schutzschicht (3) aufweist, in Kontakt mit dem Gussmaterial (2) in Form einer Schmelze (2') gebracht wird,
      • die Schutzschicht (3) durch den Kontakt mit der Schmelze (2') entfernt wird, so dass die Oberfläche (1') des Einlegeteils (1) wieder freigelegt wird,
      • und das Gussmaterial (2) in direkten Kontakt mit der Oberfläche (1') des Einlegeteils (1) gelangt, und mit dieser Oberfläche (1') die stoffschlüssige Verbindung ausbildet.
    2. 2. Verfahren nach Aspekt 1, wobei vor dem Aufbringen der Schutzschicht (3) eine Sperrschicht (4) von der Oberfläche (1') des Einlegeteils (1) entfernt wird.
    3. 3. Verfahren nach Aspekt 2, wobei die Sperrschicht (4) unter einer Schutzumgebung (6) entfernt wird.
    4. 4. Verfahren nach Aspekt 2 oder 3, wobei die Sperrschicht (4) über einen mechanisch-abrasiven oder einen chemisch (-galvanischen) oder einen laserbasierten oder einen plasmabasierten Reinigungsprozess entfernt wird.
    5. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Schutzschicht (3)
      • aus einer Sol-Gel-Schicht, vorzugsweise einer siliziumhaltigen Sol-Gel-schicht, und/oder
      • aus einer Plasmapolymerschicht, vorzugsweise einer siliziumhaltigen Plasmapolymerschicht, und/oder
      • aus Kunstharz und/oder
      • aus Epoxidharz und/oder
      • aus einem Polyelektrolytmultilayer (PEM) und/oder
      • aus einer selbstorganisierenden Monoschicht (SAM) und/oder
      • aus einer Polymerschicht, vorzugsweise Stickstoff und/oder Schwefel
      • und/oder Phosphor enthaltend, und/oder
      • aus einer metallischen Schicht
      • gebildet ist.
    6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Schutzschicht (3) in einem Sudverfahren gebildet wird und/oder in einem Galvanikverfahren gebildet wird und/oder abgeschieden wird.
    7. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Einlegeteil (1) mitsamt der an seiner Oberfläche (1') befindlichen Schutzschicht (3) vorgewärmt wird und in einem erwärmten Zustand in Kontakt mit der Schmelze (2') gebracht wird.
    8. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Entfernung der Sperrschicht (4) und/oder Aufbringung der Schutzschicht (3) mittels inline- und/oder online-Monitoring, vorzugsweise mittels optischer, chemischer oder elektrochemischer Verfahren, erfolgt. Das Monitoring dient der Qualitätssicherung der Oberflächeneigenschaften des Einlegers.
    9. 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Schmelze (2') Aluminium und/oder Zink und/oder Kupfer und/oder Magnesium und/oder Eisen und/oder Silizium und/oder Stahl und/oder Nickel und/oder Titan enthält.
    10. 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Einlegeteil (1) aus Aluminium oder Magnesium oder Eisen oder Kupfer oder Titan oder Zink oder einer Legierung dieser Materialien gebildet ist.
    11. 11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Schmelze (2') in einem druckunterstützen Gießverfahren, insbesondere einem Druckgießverfahren in Kontakt mit dem Einlegeteil (1) gebracht wird.
    12. 12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Schmelze (2') die Schutzschicht (3) zersetzt und/oder verdampft und/oder ablöst und/oder wegschwemmt und/oder die Schmelze (2') mit der Schutzschicht (3) in Legierung geht.
    13. 13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei eine nachträgliche Wärmebehandlung an dem Einlegeteil (1) und dem daran angeordneten Gussmaterial (2) vorgenommen wird, wobei die stoffschlüssige Verbindung durch die Wärmebehandlung erzeugt und/oder gefördert und/oder ausgereift wird.
    14. 14. Zwischenprodukt zur Verwendung in einem Gießverfahren, wobei das Zwischenprodukt gebildet ist aus einem als Einlegeteil (1) vorgesehenen Element,
      wobei eine Schutzschicht (3) auf einer Oberfläche (1') des als Einlegeteil (1) vorgesehenen Elements angeordnet ist.
    15. 15. Zwischenprodukt nach Aspekt 14, wobei die Schutzschicht (3)
      • aus einer Sol-Gel-Schicht, vorzugsweise einer siliziumhaltigen Sol-Gel-schicht, und/oder
      • aus einer Plasmapolymerschicht, vorzugsweise einer siliziumhaltigen Plasmapolymerschicht, und/oder
      • aus Kunstharz und/oder
      • aus Epoxidharz und/oder
      • aus einem Polyelektrolytmultilayer (PEM) und/oder
      • aus einer selbstorganisierenden Monoschicht (SAM) und/oder
      • aus einer Polymerschicht, vorzugsweise Stickstoff und/oder Schwefel
      • und/oder Phosphor enthaltend, und/oder
      • aus einer metallischen Schicht
      • gebildet ist.
    16. 16. Zwischenprodukt nach Aspekt 14 oder 15, wobei das Einlegeteil (1) aus Aluminium gebildet ist.
    17. 17. Zwischenprodukt nach einem der Aspekte 14 bis 16, wobei die Schutzschicht (3) in direktem Kontakt mit einem Kernmaterial des Einlegeteils (1) steht.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen einem Einlegeteil (1) und einem Gussmaterial (2), wobei eine Schutzschicht (3) auf eine Oberfläche (1') des Einlegeteils (1) aufgebracht wird,
    das Einlegeteil (1), das die Schutzschicht (3) aufweist, in Kontakt mit dem Gussmaterial (2) in Form einer Schmelze (2') gebracht wird,
    die Schutzschicht (3) durch den Kontakt mit der Schmelze (2') entfernt wird, so dass die Oberfläche (1') des Einlegeteils (1) wieder freigelegt wird,
    und das Gussmaterial (2) in direkten Kontakt mit der Oberfläche (1') des Einlegeteils (1) gelangt, und mit dieser Oberfläche (1') die stoffschlüssige Verbindung ausbildet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei vor dem Aufbringen der Schutzschicht (3) eine Sperrschicht (4) von der Oberfläche (1') des Einlegeteils (1) entfernt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Sperrschicht (4) unter einer Schutzumgebung (6) entfernt wird und/oder wobei die Sperrschicht (4) über einen mechanisch-abrasiven oder einen chemisch (-galvanischen) oder einen laserbasierten oder einen plasmabasierten Reinigungsprozess entfernt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzschicht (3)
    aus einer Sol-Gel-Schicht, vorzugsweise einer siliziumhaltigen Sol-Gel-schicht, und/oder
    aus einer Plasmapolymerschicht, vorzugsweise einer siliziumhaltigen Plasmapolymerschicht, und/oder
    aus Kunstharz und/oder
    aus Epoxidharz und/oder
    aus einem Polyelektrolytmultilayer (PEM) und/oder
    aus einer selbstorganisierenden Monoschicht (SAM) und/oder
    aus einer Polymerschicht, vorzugsweise Stickstoff und/oder Schwefel
    und/oder Phosphor enthaltend, und/oder
    aus einer metallischen Schicht
    gebildet ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzschicht (3) in einem Sudverfahren gebildet wird und/oder in einem Galvanikverfahren gebildet wird und/oder abgeschieden wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einlegeteil (1) mitsamt der an seiner Oberfläche (1') befindlichen Schutzschicht (3) vorgewärmt wird und in einem erwärmten Zustand in Kontakt mit der Schmelze (2') gebracht wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Entfernung der Sperrschicht (4) und/oder Aufbringung der Schutzschicht (3) mittels inline- und/oder online-Monitoring, vorzugsweise mittels optischer, chemischer oder elektrochemischer Verfahren, erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schmelze (2') Aluminium und/oder Zink und/oder Kupfer und/oder Magnesium und/oder Eisen und/oder Silizium und/oder Stahl und/oder Nickel und/oder Titan enthält.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einlegeteil (1) aus Aluminium oder Magnesium oder Eisen oder Kupfer oder Titan oder Zink oder einer Legierung dieser Materialien gebildet ist.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schmelze (2') in einem druckunterstützen Gießverfahren, insbesondere einem Druckgießverfahren in Kontakt mit dem Einlegeteil (1) gebracht wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schmelze (2') die Schutzschicht (3) zersetzt und/oder verdampft und/oder ablöst und/oder wegschwemmt und/oder die Schmelze (2') mit der Schutzschicht (3) in Legierung geht.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine nachträgliche Wärmebehandlung an dem Einlegeteil (1) und dem daran angeordneten Gussmaterial (2) vorgenommen wird, wobei die stoffschlüssige Verbindung durch die Wärmebehandlung erzeugt und/oder gefördert und/oder ausgereift wird.
  13. Zwischenprodukt zur Verwendung in einem Gießverfahren, wobei das Zwischenprodukt gebildet ist aus einem als Einlegeteil (1) vorgesehenen Element,
    wobei eine Schutzschicht (3) auf einer Oberfläche (1') des als Einlegeteil (1) vorgesehenen Elements angeordnet ist.
  14. Zwischenprodukt nach Anspruch 13, wobei die Schutzschicht (3) aus einer Sol-Gel-Schicht, vorzugsweise einer siliziumhaltigen Sol-Gel-schicht, und/oder
    aus einer Plasmapolymerschicht, vorzugsweise einer siliziumhaltigen Plasmapolymerschicht, und/oder
    aus Kunstharz und/oder
    aus Epoxidharz und/oder
    aus einem Polyelektrolytmultilayer (PEM) und/oder
    aus einer selbstorganisierenden Monoschicht (SAM) und/oder
    aus einer Polymerschicht, vorzugsweise Stickstoff und/oder Schwefel
    und/oder Phosphor enthaltend, und/oder
    aus einer metallischen Schicht
    gebildet ist;
    und/oder
    wobei das Einlegeteil (1) aus Aluminium gebildet ist.
  15. Zwischenprodukt nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei die Schutzschicht (3) in direktem Kontakt mit einem Kernmaterial des Einlegeteils (1) steht.
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