CN102803532A - 热处理工艺和压铸铝合金部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及压铸铝合金部件的热处理工艺，所述工艺包括将所述部件在事先预热至合金的固液相曲线以下的温度的炉中进行固溶处理的步骤；所述部件的淬火步骤；和经淬火的部件的回火步骤；固溶处理步骤，将所述部件在等温温度下保持至少10分钟的时间，再加由于特殊炉的足够快速的温度上升，所述特殊炉具有比常规的空气炉更高的热交换系数。本发明可以使所获得的铝合金部件的机械特性接近于其他材料例如钢或铸铁的机械特性。

Description

热处理工艺和压铸铝合金部件
本发明要求保护在2009年4月2日提交的法国专利申请0952133的优选权，所述专利申请的内容(文本和权利要求书)作为参考在此合并。
本发明涉及压铸铝合金部件的热处理工艺。本发明此外还涉及经压铸接着经热处理的铝合金部件，以及包含经处理的此等部件的车辆。
由于部件的质量的问题，例如在汽车领域中，铝合金部件优选于钢或铸铁的部件。此外，由于制造成本、整体生产和大小精确性的原因，铝合金部件通常通过模压(moulage sous-pression)来获得。然而，这类铝合金部件不具有与钢或铸铁可相比的机械特性。这些机械特性的差异妨碍了用压铸铝合金部件取代所有钢或铸铁的部件。
文献WO-A-2006/066314描述了压铸铝合金部件的热处理工艺。由于铸造工艺，这些部件容易具有内部缺陷，其中包含气体。在常规的淬火热处理过程中，这些缺陷可能形成气孔。在文献WO-A-2006/066314中所描述的热工艺包括一个少于30分钟时间的固溶处理(mise en solution)步骤。然而，这样的工艺并不能使任何压铸铝合金部件在机械特性方面获益。
因此，存在对于这样的工艺的需要，其使得能够获得具有与钢或铸铁接近的机械特性的压铸铝合金部件。
为此，本发明提出压铸铝合金部件的热处理工艺，其包括将所述部件在事先预热至所述合金的固液相曲线以下的温度的炉中进行固溶处理的步骤；所述部件的淬火步骤和经淬火的部件的回火步骤；其特征在于，在固溶处理步骤中，将所述部件在等温温度下保持至少10分钟时间。
本发明能够使所获得的铝合金部件的机械特性接近于其他材料例如钢或铸铁的机械特性。
在一个实施方案中，在固溶处理步骤中所使用的炉具有大于300W.m-2.K-1，优选地在500-1800W.m-2.K-1之间，和更特别地在500-700W.m-2.K-1之间的热传递系数。
在一个实施方案中，在固溶处理步骤中所使用的炉是选自流化床炉、盐浴炉、铅浴炉和油浴炉的炉。
在一个实施方案中，固溶处理步骤具有少于45分钟，优选地少于30分钟的持续时间。
在一个实施方案中，在固溶处理步骤中所使用的炉具有在合金固液相曲线之下在20℃-150℃之间的温度。
在一个实施方案中，部件的淬火步骤由合金的固溶处理温度在0℃-100℃之间的温度下进行。
在一个实施方案中，经淬火的部件的回火步骤在130℃-200℃之间的温度下进行数小时。
在一个实施方案中，所述部件是铝合金的，优选为AlSi9Cu3Mg(Fe)(Zn)类型的铝合金。
本发明的目标还在于通过模压获得的铝合金部件，其特征在于，随后通过上面说明特性的热处理工艺对它进行热处理。
在一个实施方案中，所述部件具有大于500g，优选地在500g-15kg之间的质量。
在一个实施方案中，所述部件选自包括具有铁嵌件的壳的组中，例如曲轴轴承的罩壳。
最后，本发明的目的在于提供包含至少一个这样的铝合金部件的车辆。
本发明的其他特性和优点将随着阅读仅作为例子给出的、本发明实施方案的如下详述的描述而出现。
本发明提供压铸铝合金部件的热处理工艺。该热处理工艺首先包括将部件在炉中进行固溶处理的步骤。将固溶处理炉保持在低于合金的固液相曲线之下的温度。在这种情况下，将部件保持在等温温度下至少10分钟时间。然后，接着固溶处理步骤是部件的淬火步骤。并且接着部件的淬火步骤是部件的回火步骤。
该热处理步骤能够使所获得的铝合金部件的机械特性接近于其他材料例如钢或铸铁的机械特性。
在这种情况下，这些按照本发明处理的铝合金部件取代了传统上钢或铸铁的部件。钢或铸铁部件的取代允许重量方面的获益，同时确保同等的机械特性。当将这类部件装上车辆或这类部件构成车辆时，该质量方面的获益是特别有用的。
该工艺此外使得能够取代在已经用铝合金制造但不足够坚固的部件中铁嵌件的存在。在这种情况下，用按照该工艺进行热处理的铝合金部件整个地取代此类部件。用整个铝合金的部件取代具有嵌件的部件使得能够减少这些部件的重量。
该工艺为以铝合金制造的部件而提出。有利地，铝合金部件取代轻巧物件中的铁合金部件。
此外该工艺为压铸部件而提出。对于具有良好大小精确性的部件的大量和低成本的生产而言，模压是一种优选的工艺。
该热处理工艺包括固溶处理步骤。该固溶处理步骤在低于合金固液相曲线的温度下在炉中进行。低于合金固液相曲线的固溶处理温度使得能够避免热处理过程中部件的熔化。
通过模压获得的部件在其铸造的未加工状态中可以具有缺陷。
在常规的淬火热处理的背景下，固溶处理步骤此外导致浇铸部件的合金元素的固体固溶处理(mise en solution solide)。该固体固溶处理使得能够例如溶解组成铝合金的各种添加元素。该部件应在固溶处理炉中留放获得所期望的铝合金结构和均匀化所必需的时间。
该等温保持时间导致部件的均匀热结构(configuration thermique)。部件的该均匀热结构使得部件合金的机械特性的统一改善成为可能。合金的该机械特性的统一性导致部件机械特性的全面改善。
接着固溶处理步骤是部件的淬火步骤。该淬火是部件的突然冷却。如此的突然冷却能够使在固溶处理过程中所获得的特殊结构固定。固溶处理与淬火的组合使得能够最终赋予铝合金部件以特殊的结构。如此的组合使得能够例如将在添加元素方面过饱和的铝合金固体溶液保持在环境温度下。如此的过饱和溶液在环境温度下通常是亚稳定的。所获得的该特殊结构充当另一个热处理步骤的基本态。
该热处理工艺最后包括成熟步骤或回火步骤。未加工的淬火铝合金部件具有差的机械特性。回火步骤使得能够获得该部件机械特性的改善。回火步骤可以在环境温度下进行(成熟)。回火步骤还可以按照T6类型的热处理来进行，即回火使得能够获得最佳的机械特性。
铝合金部件的模压导致部件内部缺陷的形成。在这些缺陷中有可能包括空气类型的气体包含体或涂料层的分解残留物。在应用常规的铝合金淬火热处理中，存在于这些包含体中的气体可以膨胀。在这种情况下，气体的膨胀可以导致由于气泡形成所致的部件外壁的变形。例如从400℃的温度开始，某些铝合金的机械强度可以是足够弱的，不再妨碍气泡的形成。
如前面所描述的所有热处理工艺步骤，其组合限制了由于压铸部件中气体存在所导致的气泡形成。这些气泡对浇铸部件的尺寸稳定性和机械特性具有有害的影响。此类气泡的出现因此妨碍了通常由部件的热处理所赋予的机械特性的改善。该热处理工艺使得能够最终全面地改善压铸铝合金部件的机械特性。
特别地，该工艺允许机械特性例如抗断裂强度、弹性强度和断裂伸长的改善达0.2％。更特别地，该工艺允许100％量级的弹性强度的改善达0.2％。
优选地，固溶处理步骤在具有比常规的空气炉具有更好的热传递系数的炉中进行。因此，优选使用其热传递系数高于300W.m-2.K-1的炉。具有高于300W.m-2.K-1的热传递系数的炉的使用允许在固溶处理阶段中部件的更快的温度上升，从该阶段具有低的气泡形成危险。这样的更快温度上升导致在固溶处理步骤过程中装炉的总时间减少。在这种情况下，该固溶处理步骤变得更短，而同时让部件的等温保持时间大于10分钟。最小等温保持时间的保持使得能够确保机械特性的改善。
进一步优选的是，使用具有在500-1800W.m-2.K-1之间的热传递系数的固溶处理炉。如此炉的使用允许在固溶处理过程中部件的更加快的温度上升。
最后，优选使用具有在500-700W.m-2.K-1之间的热传递系数的炉。如此的特殊炉是例如流化床炉。
在固溶处理步骤中使用预热至所期望的固溶处理温度的炉。固溶处理的时间是部件在固溶处理炉中装炉的总时间。
优选地，固溶处理步骤的时间少于45分钟。固溶处理步骤时间的如此限制使得能够避免包含在压铸部件包含体中的气体的膨胀。因此，固溶处理步骤的时间限制防止了气泡的形成，所述气泡使压铸铝合金部件的机械特性降低。
固溶处理步骤可以减少至30分钟。该步骤时间的如此减少使得能够对具有不好的内部健全度的压铸部件，即具有更大数目的包含气体的缺陷的部件，进行热处理。因此，对于这些在热处理过程中具有更大气泡形成危险的部件预备更短的固溶处理时间，是有用的。
固溶处理步骤的实施温度优选地在合金固液相曲线之下在20℃-150℃之间。在合金固液相曲线之下高于150℃的固溶处理温度允许部件的机械特性的改善和良好的均匀度。如此的固溶处理温度此外使得能够用相对短的固溶处理步骤时间获得机械特性的改善和/或所期望的均匀度。
在合金固液相曲线之下低于20℃的温度的固溶处理温度，使得能够避免在合金水平上烧伤的形成。这是因为，如果固溶处理温度过于接近固液相曲线，那么合金可以达到合金组成成分之一的部分熔化温度。这些烧伤改变合金以及因此以这样的合金制造的部件的机械特性。合金固溶处理温度的如此限制此外使得能够避免由于部件中所存在气体的更大膨胀所导致的气泡过快形成。
淬火步骤可以借助于淬火液体来实现。淬火步骤优选地由合金的固溶处理温度在0℃-100℃之间的温度下实施。在0℃-100℃之间的温度下的淬火允许在固溶处理过程中所获得的结构的更好固定。0℃-100℃之间的淬火温度的使用此外允许水作为淬火液体的使用。水的使用优先于淬火液体例如油或加合水(eau additivée)。这是因为，水作为淬火液体的使用导致淬火步骤的成本的改善。随后，水作为淬火液体的使用还允许更好地遵守环境约束。
淬火部件的回火步骤优选地在130℃-200℃之间的温度下进行。该回火温度间隔允许比在环境温度下进行的成熟更快的合金机械特性改善。此外，将该温度间隔限制至200℃，从而使得能够避免包含在合金中的气体的过大膨胀。归根结底，该温度间隔的使用允许充分的机械特性改善，而没有在回火的部件上看见出现气泡的危险。
优选地，铝合金是铝硅家族的合金。铝硅家族的铝合金特别地具有在热处理过程中起泡的问题。这是因为，硅的存在在热处理过程中诱使特别快速的球化。硅颗粒的该快速球化妨碍了常规的铝合金热处理的使用。前面所描述的热处理工艺因此特别地适合于铝硅家族的铝合金部件。
该热处理工艺的使用此外对于AlSi9Cu3Mg(Fe)(Zn)类型的铝合金是特别有利的。这是因为此类合金是具有良好内部机械特性的合金。该类型的合金此外是其制造成本经济的合金。
随后本发明提供按照前面所描述的热处理工艺进行热处理的通过模压而获得的铝合金部件。这些按照前面所描述的工艺进行处理的部件的使用允许取代通常以铁合金例如以钢或铸铁制造的部件。此外，经如此处理的所有压铸铝合金部件享有机械特性提高的好处。因此，还可以局部地减少部件的厚度，而同时在结构方面保留相同的强度。此外，在经如此处理的铝合金部件的减轻方面的获益可以是数千克量级的。归根结底，这些经处理的部件允许接近于铁材料的机械特性并有重量上的获益。
优选地，所述部件将是大块部件，即其质量高于500g的部件。这是因为，部件越大，在此类部件的设计过程中寻求赢得重量改进就越有用。此外，前面所描述的工艺非常好地适合于大块部件，因为它确保至少10分钟时间的部件的等温保持。这些大块部件具有比更轻的部件更大的最小厚度。这些更大的厚度在固溶处理阶段中通常妨碍所有部件的等温保持的获得。因而，在将常规热处理应用于大块部件时，难以获得部件的该等温保持。
被处理的部件优选地是具有低于15kg的质量的部件，其允许使用已知的炉，而不是迫使这些特殊的炉适应过大质量和/或过大尺寸的部件。
特别地，按照前面所描述的工艺进行热处理的部件是在机械加工中经历严格标准的部件。因而，按照前面提及的工艺进行热处理的部件具有足以允许经济加工的机械特性。
更特别地，经处理的部件是曲轴轴承罩壳类型的部件，其静力学尺寸和疲劳尺寸是特别经研究的。由于轻便性的原因，这些部件可以主要以铝合金来制造。然而，这些部件的某些部分经历应力，以至于可以优选在这些位置增添铁嵌件。因而，按照本发明进行处理的铝合金部件的使用使得能够摆脱在该类型的部件中使用铁嵌件。因而，在制造时间和成本方面有利于这些部件的实施。
特别地，曲轴轴承罩壳在运转方面具有危险区，例如曲轴轴承区。因而，避免使用嵌入铸件的烧结的铸铁或钢的铁嵌件，从而导致部件的重量和价格获益。在曲轴轴承罩壳中取代了铁嵌件的铝合金的机械特性的增加对部件的其他机械应力区也是有益的。
最后，包含以压铸铝合金制造的部件的车辆是其制造时间和成本都减少的车辆。此外，这样的车辆是更轻的并因此具有更经济的消耗。

Claims (10)

1.压铸铝合金部件的热处理工艺，所述工艺包括将所述部件在事先预热至合金固液相曲线以下的温度的炉中进行固溶处理的步骤；该部件的淬火步骤；和经淬火的部件的回火步骤；其特征在于，在固溶处理步骤中，所述部件在等温温度下保持至少10分钟的时间。
2.根据权利要求1的热处理工艺，其特征在于，在固溶处理步骤中使用的炉具有高于300W.m-2.K-1，优选地在500-1800W.m-2.K-1之间，和更特别地在500-700W.m-2.K-1之间的热传递系数。
3.根据权利要求1或2的热处理工艺，其特征在于，在固溶处理中使用的炉是选自包括流化床炉、盐浴炉、铅浴炉和油浴炉的组中的炉。
4.根据权利要求1至3之一的热处理工艺，其特征在于，所述固溶处理步骤具有少于45分钟，优选地少于30分钟的持续时间。
5.根据权利要求1至4之一的热处理工艺，其特征在于，所述在固溶处理中使用的炉在合金的固液相曲线之下在20℃-150℃之间的温度下。
6.根据权利要求1至5之一的热处理工艺，其特征在于，所述部件的淬火步骤由合金的固溶处理温度在0℃-100℃下实施。
7.根据权利要求1至6之一的热处理工艺，其特征在于，所述部件是铝合金部件，优选地是AlSi9Cu3Mg(Fe)(Zn)类型的部件。
8.通过模压获得的铝合金部件，其特征在于，随后通过根据权利要求1至7之一的热处理工艺对其进行热处理。
9.根据权利要求8的部件，其特征在于，该部件具有高于500g，优选地在500g-15kg之间的质量。
10.车辆，其特征在于，它包含至少一个根据权利要求8或权利要求9的部件。
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