CN107208199A - 复杂成型浇铸件的生产方法和AlCu合金制浇铸件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实用、操作可靠地生产AlCu合金制浇铸件的方法，合金组成(重量％)：6‑8％Cu，0.3‑0.55％Mn，0.15‑0.25％Zr，最多0.25％Fe，最多0.125％硅，0.05‑0.2％钛，最多0.04％钒，其余铝和不可避免杂质。根据合金组成熔化的熔液在730‑810℃保持4‑12小时然后至少用力充分搅拌一次。接着熔液按份浇铸成各浇铸件，然后浇铸件在475‑545℃固溶退火1‑16小时。由固溶退火温度出发，浇铸件淬火至最高300℃，经过淬火过程的500‑300℃温度范围的冷却率为0.75‑15K/s。之后浇铸件在150‑300℃温度热时效处理1‑10h。最后浇铸件冷却至室温。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于生产复杂成型的AlCu合金制浇铸件的方法。
背景技术
本发明中给出合金元素的含量时，若没有明确的其他说明，指的是相关合金各个合金元素的重量。
由此处讨论的AlCu合金种类组成的浇铸件特别是在高于250℃的较高的使用温度下具有尤其高的强度。但这面临着较差的浇铸特性，这种浇铸特性使得具有复杂成型特点的构件的浇铸技术生产变得困难。
这种浇铸件的典型例子是设计用于内燃发动机的汽缸盖，该汽缸盖一方面在实际应用中承受高温，另一方面具有紧凑的构建形式，细条状的成型元件如冷却液道和油道，凹槽，连接片，引导件以及类似元件构建于其中。
在基本不含Si的AlCu合金的加工过程中一个重要问题产生于其非常容易受到热裂纹侵蚀以及冒口补缩行为比传统AlSi合金差很多。
从WO 2008/072972 A1中已知一种用于由AlCu合金生产复杂构型浇铸件的方法，该AlCu合金组成为(重量％)：2-8％的Cu，0.2-0.6％的Mn，0.07-0.3％的Zr，最多0.25％的Fe，最多0.3％的Si，0.05-0.2％的Ti，最多0.04％的V，其余为铝和不可避免的杂质，其中杂质的含量之和不超过0.1％。Zr的存在在这里对于粒度最大为100μm的精细结构的生产具有特殊意义。
为了改善浇铸件结构的精细度可以在实施已知方法时在浇铸之前在具有相应组成的熔液中额外添加晶粒细化剂，比如TiC，剂量通常为每吨熔液2kg。经过浇铸和凝固后得到的浇铸件进行热处理，在热处理过程中首先在530-545℃温度下进行固溶退火。借助于水或者在空气流中将浇铸件从固溶退火温度加速降温，其中用水的淬火在所追求的高强度方面尤其是有利的，然而这种情况下推荐空气流冷却，即浇铸件由于其复杂的构型在快速冷却时会倾向于形成裂纹。淬火后将浇铸件在160-240℃的温度下保持3-14个小时，以增加结构的硬度。
已知方法的实践转化的试验展示了已知的合金虽然在材料特性方面具有优势，这些优势尤其对于用浇铸技术生产内燃发动机汽缸盖有利。然而在大规模生产中，利用已知方法用该合金生产在实际使用过程中满足要求的浇铸件缺乏必要的可靠性。
由此展示了，根据模型相应得到的各个浇铸件的晶粒大小事实上波动极大。这样可能比如对于一个凝固极慢的极大的样品件测得约100μm的平均晶粒度。然而若从该样品件上取下较小的一块，将其重新熔化并重新迅速凝固，即使凝固速度非常快，还是会相悖于预期地出现500-900μm的晶粒度。具有这种粗糙结构的浇铸件完全不能满足现在讨论的方法目标所在的应用。
发明内容
在此现有技术的背景下的目的是给出一种方法，该方法以一种实用的，可靠的方式使得由已知类型的AlCu合金生产浇铸件成为可能。
涉及到该方法，本发明由此实现该目的，即，在由AlCu合金生产浇铸件的过程中进行在权利要求1中给出的工作步骤。
本发明有利的设计方案在从属权利要求中给出并和总体的发明思想一道接着详细解释。
根据本发明的用于浇铸细条状浇铸件的方法包括以下工作步骤：
a)熔化AlCu合金，该合金组成为(重量％)：
Cu：6-8％，
Mn：0.3-0.55％，
Zr：0.15-0.25％，
Fe：最大0.25％，
Si：最大0.125％，
Ti：0.05-0.2％，
V：最大0.04％，
其余为铝和不可避免的杂质；
b)在730-810℃的保持温度下将该熔液保持4-12小时；
c)将该熔液彻底搅匀；
d)从该熔液中取出一熔液份；
e)将该从熔液中取出的熔液份浇铸成为浇铸件；
f)该浇铸件在475-545℃的固溶退火温度下进行1-16个小时的固溶退火；
g)将该浇铸件从固溶退火温度淬火至最高300℃的淬火停止温度，其中该浇铸件至少在500-300℃温度范围内以0.75-15K/s的冷却率进行淬火；
h)对该浇铸件进行热时效处理，其中在热时效处理过程中将该浇铸件在150-300℃的热时效处理温度下保持1-10小时；
i)将该浇铸件冷却至室温。
该根据本发明的方法由在已经提到的WO 2008/072972 A1中已知的AlCu合金出发，并且提供浇铸件，该浇铸件在实际应用中满足对其使用性能提出的高要求。
在根据本发明处理过的合金中有6-8重量％的铜，以达到待生产的浇铸件所要求的热拉强度。当该根据本发明处理过的合金中Cu含量为6.5-7.5重量％时，能够达到该方面的最佳特性。
含量为0.3-0.55重量％的锰有利于Cu在根据本发明生产的组件结构的Al基中扩塞并由此使根据本发明的合金强度即使在高的运行温度下也变得稳定。当Mn含量为0.4-0.55重量％时，尤其确保实现这种效果。
锆对于根据本发明生产的浇铸件的热拉强度有着特殊意义。0.15-0.25重量％的Zr含量有利于均质析出的产生，均质析出在由根据本发明的浇铸合金浇铸而成的浇铸件中保证了该根据本发明的合金具有精细的结构以及由此决定的，机械特性在该浇铸件的整个体积上最优化均匀的分布以及裂缝形成最小的趋势。当根据本发明处理的合金的Zr含量为0.18-0.25重量％，尤其0.2-0.25重量％时，这些优点能够尤其可靠地达到。
铁在根据本发明的合金中不希望出现，因为铁趋向于形成脆性相。因此Fe含量限制在最大0.25重量％，优选0.12重量％。
根据本发明，对于Si含量规定的界限最高为0.125重量％，因为Si含量较高时形成热裂纹的风险增大。Si对于根据本发明的合金特性的负面影响能够通过将Si含量限制在最高0.06重量％来可靠排除。
含量为0.05-0.2重量％，尤其为0.08-0.12重量％的Ti如Zr一样也有助于晶体细化。也能够通过添加最多0.04重量％的V来促进晶体细化。当在根据本发明处理过的合金中有0.01-0.03重量％的V存在时，这尤其适用。
由于熔化和生产导致的不可避免的杂质含量总和应当如现有技术中一样保持得较低，尤其不超过0.1重量％。
本发明基于下列认识，即对于以AlCu合金为原料，可靠的，无缺陷的复杂成型浇铸件(如汽油或柴油驱动的内燃发动机汽缸盖)的生产来说必要的是通过已知措施进一步对生产工艺的参数进行调整。只有这样才能生产工艺可靠的、根据本发明组成的浇铸件，该浇铸件在其整个体积上具有小于100μm，理想情况下小于80μm的晶粒度。
作为迈向该方向的第一步，熔液必须在合适的温度范围内保温一段足够长的时间。
通过大量的研究可以得出，为此需要保温时间为4-12小时且保持温度为730-810℃，尤其是750-810℃，其中当保持时间为6-10小时，保持温度为770-790℃时，能够尤其可靠地达到想要的结果。
与根据本发明规定的在前述时间和温度范围内的保持(根据本发明的方法的工作步骤b))相关联的作用机理目前尚不清楚。然而这里Zr，Ti和选择性的V以根据本发明规定的量的存在显示出有着决定性的影响。这些元素与作为合金主要组分的铝一起在高温下构成了预析出，该预析出通过长的保持时间激活然后作为晶粒细化剂起效。
同样地也说明了，对于多次浇铸取得相同的好的浇铸结果来说必要的是在各次浇铸生产开始前至少彻底搅匀熔液一次。
然后以工作步骤b)开始真正的浇铸操作。根据本发明的方法的工作步骤d)-i)以这样的频度重复，直到生产出为各次浇铸生产规定的浇铸件的数量。
这里，必要情况下能够在两次取熔液份之间重复彻底搅匀。该比如以强烈的搅动形式进行的彻底搅匀能够在传统排气处理过程中进行，而在此处讨论的种类的生产方法中，彻底搅匀通常在与第一次熔液份取出一起进行的真正浇铸操作开始前进行。
在根据本发明生产的浇铸件中，此外能够由此促使尤其精细的结构的形成，即，将各个熔液份比如在其送往铸模的途中，在浇铸成浇铸件之前选择性地进行晶粒细化处理。通过这种处理能够使用根据本发明的方法生产浇铸件，在该浇铸件中对于结构来说能够保证平均粒度小于60μm。
适合作为根据本发明选择性添加的晶粒细化剂的有为此已知的化合物，比如TiC或者TiB，该细化剂能够以每吨熔液1-10kg的剂量添加。这里试验表明了，当晶粒细化剂的剂量为每吨熔液4-8kg时有着最佳的晶粒细化作用。
基本上每种传统浇铸方法都适用于浇铸件的浇铸(根据本发明的方法的工作步骤e))。这包括传统的重力浇铸的可能性。
根据本发明的方法的实践测试却展示了，当通过在浇铸准备过程中实施的措施在浇铸件中得到了精细结构时，由根据本发明处理的合金浇铸出的组件本身由于在其合金中缺乏Si而对于在冷却中出现的温度梯度敏感。通过能够实现尽可能好的定向凝固的浇铸方法可以抑制这种敏感性。
如果想要生产具有优化的特性的尤其细长形的构件，那么应使用所谓的“动态浇铸方法”。这里，这种方法指的是，在这些方法中在用熔液填充铸模时移动该铸模，一方面以保证将熔液平稳地，无波动地注入并保证与此一起出现的同样平稳的铸模的填充，另一方面为了在填充之后获得最优的凝固行为。
也已“倾斜浇铸方法(Kippgieβverfahren)”的名称已知的动态浇铸方法的共同特征为，铸模通过与其相对接的熔液容器进行填充，方法是该铸模与该熔液容器由初始位置，即用待浇铸的熔液填充该熔液容器的位置，绕着摆动轴旋转至最终位置，由此，由于该摆动动作，该熔液注入铸模中。这类方法的例子在EP 1155763A1，DE 102004015649B3，DE102008015856A1，DE 102010022343A1和目前尚未公开的德国专利申请DE 102014102724.8中有描述。
通过先前说明的措施(工作步骤a)-e)以及在有需要的情况下额外实施的晶粒细化处理)在浇铸和凝固之后就出现了结构满足晶粒度要求(平均晶粒大小<100μm)的浇铸件。
为了调整其它的使用性能，根据本发明，该浇铸件还会经过热处理，在该热处理中，该浇铸件首先在475-545℃的固溶退火温度下进行固溶退火时间为1-16小时的固溶退火。为了在Al基中达到尽可能高的Cu浓度并由此充分利用该合金的全部潜质，可以将固溶温度调整至515-530℃。
固溶退火处理的时间没有显著影响。固溶退火时间在本发明范围内这样设置，即存在的铜含量尽可能好地溶解在Al基中。这里，实际中通常能够达到的是存在的Cu含量的至少60％溶解，其中所追求的是尽可能高的份额，比如存在的Cu含量的至少70％或更多溶解。为此，在用于内燃发动机的构件的浇铸生产实际中设定固溶退火时间为2-6小时。
在固溶退火之后分别将各个浇铸件从固溶退火温度加速冷却到最高300℃的淬火停止温度。这里，淬火速率有着决定性的意义。
淬火速率的底限由以下因素限制，即过慢的冷却会导致强度过低。这说明了，使用传统的空气淬火时，由根据本发明处理的合金组成的浇铸件的抗拉强度和屈服强度比由标准合金制成的浇铸件的小。因此本发明在工作步骤g)中规定了整个浇铸件上平均至少0.75K/s淬火速率。
与此相对，固溶退火后冷却过快时会产生裂纹的风险。当浇铸件在温度低于70℃的，作为射流，水浪或者在浸槽中使用的水中淬火时，这些裂纹比如会出现。用加热到至少70℃的水进行淬火能够足够可靠地避免这些裂纹的形成。
作为替代还可能的是，用喷雾进行淬火。在喷雾淬火中降温如此谨慎地进行，即，当喷雾以室温喷出时，也可以完全没有裂纹出现。
无论怎样进行淬火，为了防止裂纹产生，根据本发明，在整个浇铸件上达到的平均淬火速率的上限在于工作步骤g)中根据本发明进行的淬火中限制在15K/s。
理想状况是在整个浇铸件上达到1.5-7.5K/s的平均冷却速率。比如以90℃的热水进行水淬火时产生的冷却速率为大约7.5K/s并且在根据本发明的方法的测试中带来了最佳结果。
正如已经提到的，淬火介质能够比如以水浪或者喷雾的形式应用。在使用喷雾淬火时可能的是，通过加载组件的外侧或者通过在存在于浇铸件内的通道中引导淬火介质来从内部冷却该组件，比如在汽缸盖上的水套。为此可以考虑的措施比如在DE 10222098B4中有说明。在外部冷却情况下冷却速率约为2-2.5K/s，内部淬火情况下的淬火速率为1.5-3.75K/s。
在工作步骤g)中将浇铸件淬火至小于或等于接下来进行的热时效温度的温度。根据本发明，热时效在150-300℃，尤其200-260℃的热时效温度下持续1-10小时。热时效由此借助于传统进行方式进行，不同的是本发明明确规定没有过时效。
热时效的持续时间对处理结果没有明显影响。为了达到浇铸件的稳定状态，已经证明有利的是热时效至少进行2个小时。在实用的实施方式中为热时效规定的时间通常为2-4小时。
根据本发明生产的浇铸件由此特征在于，其由具有以下组成(重量％)的AlCu合金组成：6-8％的Cu，0.3-0.55％的Mn，0.15-0.25％的Zr，最多0.25％的Fe，最多0.125％的Si，0.05-0.2％的Ti，最多0.04％的V，其余为铝和不可避免的杂质并且该浇铸件这里具有这样的结构，其平均晶粒大小小于100μm，尤其小于80μm。
这里根据本发明生产并获得的浇铸件在裂纹易发性最小的同时，也如其在汽车内燃发动机的使用中典型的那样，在至少250℃的温度下使用至少400小时后，在250℃的测试温度下具有至少160MPa，通常至少200MPa的抗拉强度和至少100MPa，通常至少150MPa的屈服强度。
具体实施方式
接下来借助于实施例对本发明进一步解释。
为了测试根据本发明的方法将试验熔液S1，S2，S3在传统熔炉中熔化，其组成在表1中给出。
这里熔液S1，S2，S3在熔炉里分别在TH的保持温度下保持tH的时间。
接着在真正的浇铸之前进行传统的排气操作，该操作中对各个熔液S1，S2，S3进行额外大强度的彻底搅拌，以达到好的混合。
在接下来进行的各次浇铸生产中分别由熔液S1，S2，S3浇铸为浇铸件G1-G4(熔液S1)，G5(熔液S2)和浇铸件G6，G7(熔液S3)。浇铸件G1-G5是用于柴油内燃发动机的汽缸盖，与此相对，待浇铸的浇铸件G6，G7是汽油驱动内燃发动机的汽缸盖。
为了铸造浇铸件G1-G7，在各个浇铸生产中从熔炉中借助于传统的浇铸取样勺分别取出熔液S1，S2，S3足够量的份。
向包含在浇铸取样勺中的熔液份中分别添加DKF剂量的TiB。
各个熔液份的浇铸利用通过关键词“Rotacast”已知的旋转浇铸方法在传统的如EP 1155763A1中描述的旋转浇铸机中进行。
在凝固和脱模后将得到的浇铸件在固溶退火温度TLG进行tLG时长的固溶退火。
固溶退火结束后将该浇铸件从各个相应的固溶退火温度TLG以冷却速率dAS淬火到淬火停止温度TAS。
接着进行浇铸件G1-G7的热时效处理。这里将浇铸件在各个相应的热时效温度TWA下保持tWA的时间。
表2中给出了这样得到的浇铸件中的每一个G1-G7的铸造熔液，以及参数保持时间tH，保持温度TH，剂量DKF，固溶退火温度TLG，固溶退火时间tLG,淬火停止温度TAS，冷却速率dAS，热时效时间tWA和热时效温度TWA。
在降温至室温后确定的结构的平均晶粒度，抗拉强度Rm，屈服强度Rp0.2和延伸率A记录在表3中。
可以看到，以过小的冷却速率dAS在固溶退火之后淬火的浇铸件G3与以根据本发明的方法热处理过的由同一熔液S1浇铸而成的浇铸件G1，G2和G4相比有着明显更小的抗拉强度Rm和同样明显更低的屈服强度Rp0.2。
由此，本发明给出了一种用于实用地，操作安全地生产AlCu合金制浇铸件的方法，该AlCu合金组成为(重量％)：6-8％的Cu，0.3-0.55％的Mn，0.15-0.25％的Zr，最多0.25％的Fe，最多0.125％的Si，0.05-0.2％的Ti，最多0.04％的V，其余为铝和不可避免的杂质。根据该合金组成熔化的熔液在730-810℃保持4-12小时然后至少用力充分搅拌一次。紧接着将熔液按份浇铸成为各个浇铸件，然后将该浇铸件在475-545℃下进行1-16小时的固溶退火。由该固溶退火温度出发，将该浇铸件淬火至最高300℃，其中经过淬火过程的500-300℃温度范围的冷却率为0.75-15K/s。之后将浇铸件在150-300℃温度下进行1-10h的热时效处理。最后将浇铸件冷却至室温。
Claims (14)
1.用于生产复杂成型的浇铸件的方法，所述方法包括以下工作步骤：
a)熔化AlCu合金，该合金按重量％由下述组成：
Cu：6-8％，
Mn：0.3-0.55％，
Zr：0.15-0.25％，
Fe：最大0.25％，
Si：最大0.125％，
Ti：0.05-0.2％，
V：最大0.04％，
其余为铝和不可避免的杂质；
b)在730-810℃的保持温度下将该熔液保持4-12小时；
c)将该熔液彻底搅匀；
d)从该熔液中取出一熔液份；
e)从熔液中取出的该熔液份浇铸成为浇铸件；
f)浇铸件在475-545℃的固溶退火温度下进行1-16个小时的固溶退火；
g)将该浇铸件从固溶退火温度淬火至最高300℃的淬火停止温度，其中该浇铸件至少在500-300℃温度范围内以0.75-15K/s的冷却率进行淬火；
h)对该浇铸件进行热时效处理，其中在热时效处理过程中将该浇铸件在150-300℃的热时效处理温度下保持1-10小时；
i)将该浇铸件冷却至室温。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，从所述熔液取出的所述熔液份在浇铸成浇铸件之前进行晶粒细化处理。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，为了晶粒细化以每吨熔液1-10kg的剂量添加TiC或者TiB作为晶粒细化剂。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述剂量为每吨熔液4-8kg。
5.根据前述权利要求中任意一项所述方法，其特征在于，在将所述熔液份浇铸成为浇铸件时使用动态浇铸方法。
6.根据前述权利要求中任意一项所述方法，其特征在于，工作步骤b)中的保持时间为6-10小时。
7.根据前述权利要求中任意一项所述方法，其特征在于，工作步骤b)中的所述保持温度为770-790℃。
8.根据前述权利要求中任意一项所述方法，其特征在于，工作步骤c)中的所述彻底搅匀在熔液排气处理过程中进行。
9.根据前述权利要求中任意一项所述方法，其特征在于，所述固溶退火温度为515-530℃。
10.根据前述权利要求中任意一项所述方法，其特征在于，所述固溶退火时间为2-6小时。
11.根据前述权利要求中任意一项所述方法，其特征在于，使用淬火介质用于工作步骤g)中所述浇铸件的淬火，所述淬火介质加热至至少70℃。
12.根据前述权利要求中任意一项所述方法，其特征在于，所述淬火介质以喷雾形式作用于所述浇铸件。
13.根据前述权利要求中任意一项所述方法，其特征在于，所述热时效温度为200-260℃。
14.根据前述权利要求中任意一项所述方法，其特征在于，工作步骤h)中所述热时效的持续时间为2-4小时。
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