CN1839212A - 由轻金属熔体特别是铝熔体制成的铸件的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对由轻金属熔体特别是铝熔体制成的铸件进行热处理的方法，通过该方法可以特别有效地消除以复杂方式形成的铸件的内部应力，所述方法可以以经济的、对带式生产有效的方式实施。为此目的，各铸件在退火处理后进行淬火，或从铸造热度淬火，冷却至一低温，随后浸入温度高于常压下水沸点的盐熔体中而突然加热至一高温。

Description

由轻金属熔体特别是铝熔体制成的铸件的热处理方法
本发明涉及一种对由轻金属熔体特别是铝熔体制成的铸件进行热处理的方法。
轻金属制成的铸件需要最大强度，其在实际使用中会受到高度的应力。它特别适用于内燃机的铝制气缸盖，特别是在柴油机的情况下，其会因实际工作中持续增加的点火压力而承受相当大的载荷。
通过选择在铸造后进行热处理的合适的合金，可以获得轻金属材料的高强度。因此，例如对于可热处理的铝合金，通过采用称为的T6/T7热处理可以显著提高其强度水平。如果在固溶处理后铸件在水浴中淬火、随后保存在该热度下，则存在最大提高潜力。
然而，水淬的优势面临着决定性的缺陷，即，会形成高的内部应力，特别是在对具有复杂形状的工件进行的淬火中。这些内部应力确实使得淬火件强度提高，但是这些强度会被内部应力引起的缺陷所抵消或者甚至被缺陷超出。
为了补救与淬火有关的缺陷，在1983年10月发表于Heat Treating第30页及以下页的T.Coucher的文章“Uphill quenching of aluminium：rebirth ofa little known process”中提出了一种热后处理，其中，在淬火后将铸件浸入温度约为-196℃的液氮浴中。保持在该低温下，直到铸件中形成均匀的温度分布。
一旦形成均匀的温度分布，就根据已知方法对冷却至低温的工件突然进行深冷急热(uphill quenching)至一高温。对冷工件进行蒸汽的热喷射或浸入热水浴中以进行该深冷急热。
深冷急热至高温使得在铸件的淬火过程中产生的应力分布平衡。这一效果可以解释为在淬火过程中，从铸件中心开始在外部区域方向形成下降的温度梯度。边缘层由于冷却而试图收缩，结果在铸件的边缘层与中心区域之间形成了相当大的应力。
如果铸件冷却至低温随后突然再次加热，边缘层加热而中心区域仍然保持低温。因为中心阻碍其膨胀，外部区域由于加热而受到压应力，恰好抵消因淬火而产生的压应力。因此，对于所采用的方法和工件中产生的应力，像这样在低温冷却后的突然再加热都构成了淬火工艺的反转。
实际测试表明，虽然可以用已知的深冷急热方法制造铸件，该方法的内部应力与仅按常规方法淬火的铸件相比有改善，但是已证实这种操作模式不够有效，特别是对于大规模连续生产而言。
从上述现有技术出发，因此本发明的目的是创造一种能够特别有效地消除具有复杂形状的铸件的内部应力的方法，以及同时能够经济有效地应用于连续生产系统的方法。
从上述现有技术出发，根据本发明、通过对由轻金属熔体特别是铝熔体制成的铸件进行热处理的方法已经实现了上述目的，在该方法中铸件在退火处理后淬火，或者从铸造热度(casting heat)淬火，淬火后冷却至低温，接着低温冷却后由于浸入盐熔体中突然加热至高温，盐熔体的温度高于常压下水的沸点。
本发明是基于提高现有技术中所用水蒸汽深冷急热的效率不足的想法，为了此目的，采用了盐熔体进行快速加热。根据本发明，使用盐熔体的优势在于这类熔体可以加热至明显高于常压下水沸点的温度。因此盐熔体可以毫无困难地加热至150℃及以上温度。因此为了获得所述低温和盐熔体温度之间最大可能的温差，盐熔体温度可以达到250℃及以上。
在突然进行的深冷急热过程中使用盐熔体作为热量传递介质的另一个优势在于，盐熔体和各铸件之间的热量传递比仅用水蒸气处理铸件的现有技术好得多。此外，事实上尽管盐熔体的温度更高，但对盐熔体的控制大大优于水蒸汽。
结果，通过根据本发明所述在盐熔体中对预先冷却至低温的铸件进行的深冷急热，与现有技术相比，可以大大改善对于整个热处理工艺的成功至关重要的温度梯度。高的温度梯度对淬火后存在于各铸件中的内部应力产生显著更高的补偿作用。
因此本发明使得一种经济、可靠、可实现的对铸件进行热处理的方法成为可能，此外，与用现有技术生产的铸件相比，该方法还能使铸件具有改善的性能。因此，即使这些铸件具有特别复杂和精细的结构形状，例如在用于内燃机气缸盖的情况下，用本发明所述方法也可以生产出高品质的轻金属、特别是铝制工件。
原则上，本发明的应用可以不考虑各铸件是如何淬火的。但是已经证实，如果铸件是采用本身已知的方法、利用水或相对作用比较强烈的淬火剂进行淬火的，本发明所述方法特别有效。
鉴于寻找铸件淬火后冷却到达的低温与对剧烈冷却的铸件进行深冷急热的盐熔体的深冷急热温度之间最大可能的差别的事实，该低温低于-180℃是有利的。这可以通过以下方式来实现：淬火铸件浸入常压下温度约-196℃的液氮中以冷却至所述低温。
为了提高存在于强烈冷却与深冷急热浴液之间的温差的效果，上述的本发明的进一步的设置提供了将盐熔体加热到至少150℃，特别是至少250℃。
根据本发明使用的盐熔体的盐浓度优选至少98wt％，以便能可靠地获得高的浴液温度，并对于各处理的铸件能保证熔体具有同样高的热导率。在这种情况下，使用硝酸盐和/或铬酸盐，特别是碱金属硝酸盐和铬酸盐或碱土金属硝酸盐和铬酸盐作为盐，如NaNO3，KNO3或Na2CrO4作为盐。
对由AlSi7MgCu0.5铝合金铸造的气缸盖进行的实际测试明显地证实了本发明所述方法的有效性。
在520℃的温度进行在先退火处理后，将气缸盖在水中冷却至约60℃。在空气中短暂放置后，在-196℃的低温液氮中进行低温冷却。冷却时间持续至各气缸盖中温度分布均匀。达到这一状态就马上突然加热至约240℃。
为此目的，将气缸盖浸入温度高于250℃的盐熔体中，该盐熔体由52wt％NaNO3、46.4wt％KNO3、1.3wt％NO2和0.24wt％Na2CrO4组成。在第一个测试批次中，通过用水清洗气缸盖，将用这种方式由低温至高温进行深冷急热的气缸盖冷却至室温。这能可靠地清洗掉附着在气缸盖上的残留盐。在第二个测试批次中，深冷急热的气缸盖在静止空气中用明显更长的时间冷却至室温。
图1所示为根据本发明所述热处理过程中铸件的温度T对时间的过程所作的图表。在这种情况下，将其中深冷急热气缸盖的冷却在水中进行的测试批次称为“深冷急热+水”，而其中随后的冷却在空气中进行的测试批次则称为“深冷急热+空气”。
通过采用根据本发明的操作方式，气缸盖的内部应力可以降低至接近仅通过常规处理能获得的范围，比如所述常规处理是在退火处理之后、在相对较慢的空气中而非水中对工件进行淬火。
图2表明了根据本发明所述方法的成功。退火处理之后的空冷过程中，内部应力仅在21Mpa左右。这一数值如图2中柱形“空气”所示。然而，退火处理后在空气中缓慢冷却的工件仅具有低的强度。如果在退火处理后在进行水淬，气缸盖中的内部应力为103MPa，该水淬通常是在水中冷却至60℃、随后不进行低温深冷急热加热。相应的数值如图2中的柱形“水60”所示。另一方面，如果根据本发明的上述热处理在水淬之后进行，在深冷急热至240℃后的情况下进行水冷，那么内部应力在42Mpa左右(图2中柱形“深冷急热+水”)。如果深冷急热后气缸盖在空气中缓慢冷却至室温，则能获得更好的降低内部应力的效果(图2中柱形“深冷急热+水”)。用根据本发明的这种方式进行热处理的气缸盖其内部应力为27MPa，仅比纯粹空冷所得的内部应力高6MPa，而铸件的强度则高得多。
因此本发明使得以高速冷却的淬火具有优势，即提高各铸件的强度，而不存在工艺中不得不接受的高内部应力。获得的工件具有高强度和最小化的内部应力，因而甚至能够应对实际操作中的最高载荷。

Claims (11)

1、一种对由轻金属熔体、特别是铝熔体制成的铸件进行热处理的方法，其中铸件在退火处理后进行淬火，或者从铸造热度进行淬火，淬火后冷却至低温，并接着低温冷却后由于浸在盐熔体中突然加热至高温，盐熔体的温度高于常压下水的沸点。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于铸件用水进行淬火。
3、如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于所述低温小于-180℃。
4、如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于铸件浸入液氮中以冷却至所述低温。
5、如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于铸件冷却至所述低温，直至其中心温度基本上等于所述低温。
6、如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于所述盐熔体加热到至少150℃。
7、如权利要求6所述的方法，其特征在于盐熔体加热到至少250℃。
8、如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于盐熔体的盐浓度为至少98wt％。
9、如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于使用硝酸盐和/或铬酸盐，特别是碱金属硝酸盐和铬酸盐或碱土金属硝酸盐和铬酸盐，如NaNO3，KNO3或Na2CrO4作为盐。
10、如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于所述铸件是气缸盖。
11、如权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于所述铸件是发动机部件。
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