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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Bauteils aus einer Metalllegierung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Um für Guss- und Schmiedeteile aus warmauslagerbaren Aluminiumlegierungen eine Festigkeitssteigerung zu erreichen, wird eine sogenannte T6-Wärmebehandlung durchgeführt, d. h. ein Lösungsglühen bei etwa 525°C, dem ein Abschrecken, also ein schnelles Abkühlen am Ende des Glühprozesses, und anschließend eine Warmauslagerung folgt. Durch das Abschrecken wird gewährleistet, dass der während des Glühens homogenisierte Zustand der Metalllegierung „eingefroren” wird.
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Zum Abschrecken werden die Bauteile in Wasser oder in eine Polymerbademulsion getaucht. Das Abschrecken in einer Polymerbademulsion erfolgt im Vergleich zu Wasser langsamer und kommt dort zum Einsatz, wo aufgrund der hohen Abkühlgeschwindigkeiten in Wasser kritische Eigenspannungen erster Art entstehen können.
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Kritische Eigenspannungen entstehen vor allem in Bauteilen mit großen Wandstärkeunterschieden. Aufgrund der Wandstärkeunterschiede entstehen während des Abschreckens hohe Temperaturgradienten zwischen dickwandigen und dünnwandigen Bereichen. Hohe Temperaturgradienten entstehen ferner in Bereichen des Bauteils, die während des Eintauchens nicht vom flüssigen Abschreckmedium umspült und damit schlecht gekühlt werden. Dies ist vor allem bei Hohlräumen, einschließlich Sacklöchern, Bohrungen und dergleichen der Fall, in denen während des Eintauchens Luft eingeschlossen wird, die aus dem Hohlraum nicht entweichen kann.
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Diese Temperaturunterschiede können aufgrund des Wärmeausdehnungskoeffizienten und den bei hohen Temperaturen noch geringen Streckgrenzen der Metalllegierung durch lokale plastische Dehnungen zu Eigenspannungen führen. Große Eigenspannungen können jedoch die Dauerfestigkeit reduzieren, da sie sich in ungünstigen Fällen mit der Betriebslast aufaddieren können.
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Um das Auftreten hoher Eigenspannungen zu verhindern, werden in jüngster Zeit sogenannte Luftabschreckverfahren angewendet. Hierbei wird das gesamte Bauteil nach dem Lösungsglühen mit Hilfe von erzwungener Konvektion mit Luft angeblasen. Durch das Anblasen erfolgt das Abkühlen zwar langsamer, so dass geringere Eigenspannungen entstehen, andererseits sinkt aber die maximal erreichbare Festigkeit und Härte des Bauteils, da sich die Legierung wieder entmischt.
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Es ist deshalb vorgeschlagen worden, ein Bauteil mit Hohlräumen zwar in ein flüssiges Abschreckmedium zu tauchen, jedoch in die Hohlräume vor dem Abschrecken mit einer Lanze eine Flüssigkeit zu spritzen, um den Hohlraumbereich vorzukühlen (
DE 100 16 187 C2 ).
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Abgesehen davon, dass ein solches Ausspritzen der Hohlräume eines Bauteils auf Lösungsglühtemperatur mit einer Lanze mit extremen Schwierigkeiten verbunden ist, sind nach diesem Verfahren insbesondere solche Hohlräume nicht vorkühlbar, die wegen Hinterschneidungen, Schikanen oder dergleichen mit der Lanze nicht angespritzt werden können.
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Aus
DE 103 12 394 A1 ist bereits ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Dabei werden die Bauteile, die Bereiche unterschiedlicher Wandstärke besitzen, auf einem Rost im Lösungsglühofen geglüht. Die dickwandigen Bereiche der Bauteile werden mit den Düsen eines Luftzufuhrrohres angeblasen, das in einer Kammer in dem Lösungsglühofen mit Luft gekühlt wird. Damit muss sowohl dem Luftzufuhrrohr wie der Kammer von außen Luft zugeführt werden, was mit erheblichen Dicht- und anderen Problemen verbunden ist.
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Die
JP H03-169 454 A beschreibt ein Verfahren zum Gießen eines Leichtmetallzylinderblocks.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem mit einer einfach aufgebauten Vorrichtung die Bauteile in den ausgewählten Bereichen, und zwar auch in Hohlräumen, wirksam vorgekühlt werden können.
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Dies wird erfindungsgemäß mit dem im Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahren erreicht. In den Ansprüchen 2 bis 7 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergegeben. Der Anspruch 8 hat eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Gegenstand, welche durch die Maßnahmen der Ansprüche 9 bis 17 in vorteilhafter Weise ausgebildet wird.
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Nach der Erfindung wird zur Bildung des Gasstroms, mit dem das Bauteil in den kritischen Bereichen selektiv vorgekühlt wird, eine Glocke, d. h. ein an seiner Unterseite offener Hohlkörper verwendet, welcher sich im Lösungsglühofen befindet und damit beim Lösungsglühen auf Lösungsglühtemperatur erwärmt wird.
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Wenn der Boden des Lösungsglühofens entfernt wird, um das Bauteil in das darunter befindliche Bad mit der Abschreckflüssigkeit zu tauchen, wird dabei zuerst, d. h. vor Eintauchen des Bauteils, dieser Hohlkörper in die Abschreckflüssigkeit getaucht. Durch die offene Unterseite tritt damit Abschreckflüssigkeit in den Hohlkörper ein. Da er sich auf Lösungsglühtemperatur, jedenfalls sehr hoher Temperatur befindet, verdampft wenigstens ein Teil der Abschreckflüssigkeit in dem Hohlkörper mit hoher Geschwindigkeit. Das durch Verdampfen der Abschreckflüssigkeit gebildete Gas kann nun mit hoher Strömungsgeschwindigkeit zum Vorkühlen der kritischen Bauteilbereiche verwendet werden.
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D. h., nach der Erfindung brauchen an dem Lösungsglühofen keine baulichen Veränderungen vorgenommen, insbesondere kein Gas zum Vorkühlen von außen in den Lösungsglühofen eingeführt zu werden.
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Die Bauteile können in dem Lösungsglühofen und beim Eintauchen in die Abschreckflüssigkeit auf dem Hohlkörper abgestellt werden. D. h., der zum Vorkühlen ausgewählter Bereiche des Bauteils verwendete Hohlkörper kann zugleich als Aufnahme für die Bauteile beim Lösungsglühen und Eintauchen in die Abschreckflüssigkeit verwendet werden.
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Um der Bildung kritischer Eigenspannungen entgegenzuwirken, wird als Abschreckflüssigkeit vorzugsweise eine Polymerbademulsion verwendet.
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Die kritischen Bereiche, die erfindungsgemäß mit dem Gasstrom selektiv vorgekühlt werden, sind bei Bauteilen mit Bereichen unterschiedlicher Wandstärke im Allgemeinen die dickwandigen Bereiche oder Hohlräume in dem Bauteil.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zwar in erster Linie dazu bestimmt, unterschiedliche Wandstärken oder Hohlräume aufweisende Bauteile hoher Festigkeit mit geringen Eigenspannungen zu erhalten, jedoch kann erfindungsgemäß auch ein Bauteil mit besonders hoher Eigenspannung in einem bestimmten Bereich erzeugt werden. Beispielsweise kann bei einem Gussbauteil, das bei seinem Einsatz in einem bestimmten Bereich stark zugbelastet wird, in diesem Bereich eine lokale Druckbelastung durch entsprechende Eigenspannung eingestellt werden. Dazu werden die übrigen Bereiche des Bauteils einer Vorkühlung mit dem Gasstrom unterzogen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für Bauteile aus warmauslagerbaren Aluminiumlegierungen geeignet, und zwar für Guss- und Schmiedeteile.
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Das Lösungsglühen der Bauteile erfolgt beispielsweise 10 bis 20°C unter der Solidustemperatur der Legierung, bei Aluminiumlegierungen also beispielsweise bei 510 bis 530°C. Es kann z. B. 2 bis 10 h lösungsgeglüht werden.
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Um einen Gasstrom zu bilden, weist der Hohlkörper vorzugsweise an seiner Oberseite wenigstens eine Gasaustrittsöffnung auf, an die vorzugsweise eine Leitung angeschlossen ist, um den in dem Hohlkörper durch Verdampfen der Abschreckflüssigkeit gebildeten Gasstrom den vorzukühlenden kritischen Bereichen des Bauteils zuzuführen.
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Die Leitung kann dabei so massiv ausgebildet sein, dass sie als Abstützung für das Bauteil auf dem Hohlkörper verwendet werden kann. Wenn ein Hohlraum in dem Bauteil vorgekühlt werden soll, kann das Bauteil auf der Abstützung so angeordnet sein, dass die Leitung in den Hohlraum mündet.
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Um die Gasströmungsgeschwindigkeit zu erhöhen, kann die Leitung bzw. Abstützung als Trichter ausgebildet sein, der sich zum Bauteil hin verjüngt, wobei die Gasaustrittsöffnung in dem Hohlkörper, die der Trichter umschließt, einen entsprechend großen Durchmesser besitzt. Um das aus dem Hohlraum des Bauteils strömende, zum Vorkühlen verwendete Gas abzuführen, kann eine weitere Abstützung für das Bauteil auf dem Hohlkörper vorgesehen sein, welche mit einer entsprechenden Leitung für das aus dem Hohlraum strömende Gas versehen ist.
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Der Hohlkörper besteht aus einem Material hoher Wärmekapazität, insbesondere Metall, vorzugsweise Stahl.
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Um die innere Oberfläche des Hohlkörpers und damit die Verdampfungsgeschwindigkeit zu erhöhen, ist der Hohlkörper vorzugsweise in dem von der Gasaustrittsöffnung abgewandten unteren Bereich mit Verdampfungsrippen vorzugsweise aus Metall versehen. Die Verdampfungsrippen können dabei aus dem gleichen Material wie der Hohlkörper bestehen, insbesondere mit dem Hohlkörper auch einstückig ausgebildet sein.
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Unmittelbar nach dem Vorkühlen der kritischen Bereiche mit dem Gasstrom wird das vorzugsweise mit den Abstützungen auf dem Hohlkörper angeordnete Bauteil ebenfalls in die Abschreckflüssigkeit getaucht. Um eine Entmischung des Werkstoffs zu verhindern, ist die Abkühlgeschwindigkeit in der Abschreckflüssigkeit höher als die Abkühlgeschwindigkeit der kritischen Bauteilbereiche vorher mit dem Gasstrom. Vorzugsweise beträgt die Abkühlgeschwindigkeit in der Abschreckflüssigkeit mehr als 50°C/s, insbesondere 80 bis 200°C/s.
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Nach dem Abschrecken wird das Bauteil beispielsweise bei 150 bis 200°C 2 bis 10 h warmausgelagert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für Bauteile von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen geeignet, insbesondere von Motorkernbauteilen, wie Zylinderkopf, Kurbelgehäuse, Motorblock und dergleichen Gussbauteile.
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Nachstehend ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur schematisch im Querschnitt den Hohlkörper beim Eintauchen in die Abschreckflüssigkeit mit darauf angeordnetem lösungsgeglühten Bauteil zeigt.
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Danach wird ein Bauteil 1, beispielsweise aus einer Aluminiumgusslegierung, das einen Hohlraum 2 mit zwei Öffnungen 3, 4 aufweist, nach dem Lösungsglühen in dem Ofen 5 in eine Polymeremulsion als Abschreckflüssigkeit 6 getaucht. Dazu ist der Boden 7 des Ofens 6 entfernt worden, und das lösungsgeglühte Bauteil 1 wird gemäß dem Pfeil 8 in die unter dem Ofen 5 angeordnete Abschreckflüssigkeit 6 nach unten bewegt.
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Das Bauteil 1 stützt sich mit zwei Abstützungen 9, 10 auf der Oberseite 11 eines Hohlkörpers 12 ab, der an seiner Unterseite offen ist.
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Es ist ersichtlich, dass in dem Hohlraum 2 des Bauteils 1, wenn dieses beispielsweise auf einem Rost als Aufnahme in die Abschreckflüssigkeit 6 getaucht würde, Luft eingeschlossen würde, die nicht nach oben entweichen kann. Damit könnte keine Abschreckflüssigkeit 6 in den Hohlraum 2 gelangen, mit der Folge, dass zwischen dem Außenbereich des Bauteils 1 und dem inneren Bereich des Bauteils 1 mit dem Hohlraum 2 beim Abschrecken ein hoher Temperaturgradient entstünde, der zu erheblichen Eigenspannungen in dem abgeschreckten Bauteil 1 führen würde.
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Dies ist durch die dargestellte Aufnahme des Bauteils 1 auf dem als Glocke ausgebildeten Hohlkörper 12 mit den Abstützungen 9, 10 verhindert.
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Bevor das Bauteil 1 in die Abschreckflüssigkeit 6 getaucht wird, wird nämlich, wie dargestellt, zunächst zumindest der untere Teil des Hohlkörpers 12 in die Abschreckflüssigkeit 6 getaucht. Da der Hohlkörper 12 auch die Aufnahme des Bauteils 1 in dem Lösungsglühofen 5 bildet, befindet er sich auf einer hohen Temperatur. Dies hat zur Folge, dass die Abschreckflüssigkeit 6 in dem Hohlkörper 12 verdampft. Das durch Verdampfung gebildete Gas, das den Raum 13 in dem Hohlkörper 3 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 14 füllt, wird zur Vorkühlung des kritischen Hohlraumbereichs 2 des Bauteils 1 verwendet.
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Dazu ist an der Oberseite 11 des Hohlköpers 12 eine Gasaustrittsöffnung 15 vorgesehen. Ferner ist die Abstützung 9 durch den Kanal 16 als Leitung ausgebildet, in die die Austrittsöffnung 15 mündet und die ihrerseits in die Öffnung 3 des Hohlkörpers 2 mündet. Der Kanal 16 ist trichterförmig ausgebildet, wobei er mit seinem unteren weiten Ende die Gasaustrittsöffnung 15 umschließt, während sein verjüngtes oberes Ende in die Öffnung 3 des Hohlraums 2 mündet.
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Damit strömt das durch Verdampfen der Abschreckflüssigkeit 6 in dem Hohlkörper 12 in dem Raum 13 gebildete Gas durch die Gasaustrittsöffnung 15 und den Kanal 16 mit hoher Geschwindigkeit gemäß dem Pfeil 17 in den Hohlraum 2, um diesen kritischen Bereich vorzukühlen.
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Die weitere Abstützung 10 weist ebenfalls einen Kanal 18 auf, der einerseits in ein nach oben ragendes Rohr 19 und andererseits in die Öffnung 4 des Hohlraums 2 mündet. Über den Kanal 18 und das Rohr 19 tritt das zum Vorkühlen verwendete Gas aus dem Hohlraum 2 aus.
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Der Hohlkörper 12 und die Abstützungen 9, 10 bestehen beispielsweise aus Stahl. In dem unteren Bereich des Hohlkörpers 12, der in die Abschreckflüssigkeit 6 bei dem in der Zeichnung dargestellten Vorkühlvorgang eintaucht, sind im Inneren Verdampfungsrippen 21 vorgesehen, die ebenfalls aus Stahl bestehen können. Die Verdampfungsrippen 21 sind im Abstand über die offene Unterseite des Hohlkörpers 12 verteilt.
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Nach dem Vorkühlen des inneren Bereichs des Bauteils 1 mit dem Hohlraum 2 wird der Hohlkörper 12 entsprechend dem Pfeil 8 so weit nach unten bewegt, dass auch das gesamte Bauteil 1 in die Abschreckflüssigkeit 6 zum Abschrecken des Bauteils 1 eintaucht.
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Das Bauteil 1 wird anschließend aus der Abschreckflüssigkeit 6 genommen und warmausgelagert.
