DE102009024190A1

DE102009024190A1 - Sequenzielles Auslagern von Aluminium-Silizium-Gusslegierungen

Info

Publication number: DE102009024190A1
Application number: DE102009024190A
Authority: DE
Inventors: Herbert W. Doty
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-06-10
Filing date: 2009-06-08
Publication date: 2010-02-18
Also published as: CN101603161B; CN101603161A; US20090301617A1; US8728258B2

Abstract

Aluminiumgussstücke mit erhöhter Dehnungs- und Zugfestigkeit werden durch sequenzielles Auslagern eines lösungsgeglühten Gussstückes, gefolgt von einem schnellen Erwärmen auf Nukleationstemperatur, gefolgt von einem schnellen Abkühlen und danach einem erneuten Erwärmen auf Präzipitatwachstumstemperatur erhalten.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Stufenauslagerungsverfahren für Aluminium-Silizium-Gusslegierungen, das in der Lage ist, sowohl die Zugfestigkeit als auch die Dehnung des Gussstückes zu erhöhen. Komplexe Gussstücke, die sowohl dünne als auch dicke Abschnitte aufweisen, können wärmebehandelt werden, ohne die dünnen Abschnitte überzuvergüten.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Aluminium-Silizium-Gusslegierungen werden in Großserien für diverse Anwendungen hergestellt. In vielen dieser Anwendungen, z. B. Zylinderblöcken und -köpfen, Getriebegehäusen und dergleichen, können die Gussstücke relativ komplex sein und meist Bereiche des Gussstückes mit dicken Abschnitten, z. B. Kurbelwellenwangen, aufweisen, während andere Bereiche dünne Abschnitte aufweisen. Um entsprechende physikalische Eigenschaften wie z. B. Zugfestigkeit, Dehnung und Härte zu erzielen, werden Aluminium-Silizium-Gussstücke im Allgemeinen einer Wärmebehandlung unterzogen.
Die gängigsten Al-Si-Gusslegierungen (z. B. 319, 356, 390) werden durch den als Aushärten oder Präzipitationshärten beschriebenen Mechanismus gehärtet. Das Verfahren besteht üblicherweise aus drei Schritten: zuerst werden die Legierungselemente in der Aluminiumfestlösung bei einer er höhten Temperatur gelöst. Dieser Schritt wird als Lösungsbehandlung bezeichnet und wird üblicherweise als ein von dem Gießverfahren getrennter Arbeitsschritt ausgeführt. Nach dem Erstarren wird das Gussstück aus der Form entnommen und dann in einem separaten Ofen angeordnet, um wieder auf eine Temperatur genau unter der Soliduslinie erwärmt und dort über eine Zeitspanne gehalten zu werden, die ausreicht, um Präzipitate zu lösen und die αZAluminiumphase mit gelösten Atomen (üblicherweise Cu und/oder Mg) zu sättigen. Darüber hinaus wird eine gewisse Sphäroidisierung der unlöslichen Partikel (wie Silizium) mit der „Lösungsglühbehandlung” einhergehen.
Anschließend an die Lösungsglühbehandlung wird das Gussstück während des zweiten Schrittes des Präzipitationshärtungsverfahrens schnell abgekühlt, was als „Abschrecken” bezeichnet wird. Das Abschrecken muss schnell genug erfolgen, um eine Diffusion einzuschränken und zu verhindern, dass die gelösten Atome aus der Lösung präzipitiert werden. Ein Erfordernis für effektive Lösungselemente ist jenes, dass die maximale Löslichkeit in Aluminium mit der Temperatur zunehmen muss, sodass, wenn die Temperatur schnell verringert wird, das Aluminium mehr als den Gleichgewichtsinhalt an gelösten Stoffen enthält und „übersättigt” wird. Der übersättigte Zustand ist ein Ungleichgewichtszustand. Da die übersättigte Aluminiumzusammensetzung um mehr als das Zehnfache weniger gelöste Atome enthält als das Präzipitat, müssen gelöste Atome zusammenklumpen, um Regionen mit höherer Konzentration an gelösten Stoffen zu bilden und andere Bereiche mit reduzierter Konzentration an gelösten Stoffen zu belassen, bevor sich ein Präzipitat bilden kann.
Die Differenz zwischen der Gleichgewichtskonzentration an gelösten Stoffen in Lösung bei der Lösungstemperatur und der Gleichgewichtskonzentration an gelösten Stoffen in Lösung bei der Auslagerungstemperatur sorgt für die Antriebskraft für die Präzipitationsreaktion. Je niedriger die Auslagerungstemperatur ist, desto höher ist die Differenz und desto höher ist daher die Antriebskraft. Hingegen ist die atomare Beweglichkeit umso geringer, je niedriger die Temperatur ist.
Somit ist die Präzipitationsreaktion durch den Kompromiss zwischen der zusammensetzungsbedingten Antriebskraft gegenüber der temperaturgesteuerten atomaren Beweglichkeit bestimmt. Selbst bei Raumtemperatur findet eine gewisse Präzipitation statt. Bei einer niedrigen Temperatur ist die zusammensetzungsbedingte Antriebskraft hoch, da aber die atomare Beweglichkeit gering ist, ist die Diffusion von gelösten Atomen langsam und die Präzipitationsreaktion ist daher träge. Bei höheren Temperaturen ist die atomare Bewegung verstärkt, was die Klumpenbildung schneller macht, aber die zusammensetzungsbedingte Antriebskraft ist geringer, was eine geringere Menge an gebildetem Präzipitat zur Folge hat.
Die Wahl der Auslagerungstemperatur bei einer herkömmlichen Wärmebehandlung ist ein Kompromiss zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit und der Gesamtmenge an gebildetem Präzipitat. Die Härte und Festigkeit der Komponente sind stark durch die Menge an gebildetem Präzipitat gesteuert. Während der Auslagerung wird das Gussstück wieder auf eine Zwischentemperatur erwärmt, um die härtenden Präzipitate zur Nukleation zu bringen. Die Präzipitationsreaktion selbst ist ein mehrstufiger Prozess, der bewirkt, dass die Festigkeit und Härte des Gussstückes mit der Zeit und Temperatur durch einen gewissen Spitzenhärtewert hindurch ansteigen und dann wieder abnehmen. Wenn die Auslagerungstemperatur erhöht wird, wird die Spitzenhärte in einer kürzeren Zeit, aber auf Kosten des Niveaus der Spitzenhärte erreicht. Somit liegt eine optimale Kombination von Temperatur und Zeit vor, die einen optimalen Kompromiss zwi schen Spitzenfestigkeits- und Prozesszeit-Rahmenbedingungen zur Folge hat.
Die Steuerung eines jeden der obigen Schritte ist von großer Bedeutung, um die Kombination aus Festigkeit und Duktilität für den speziellen Einsatz zu erzielen. Einige Gussstücke werden absichtlich bei höheren Temperaturen oder für längere Zeiten ausgelagert, um einen Zustand jenseits der Spitzenhärte zu erreichen. Dieser „übervergütete” Zustand zeigt eine geringere Zugfestigkeit als der spitzenvergütete Zustand, aber die Zunahme in der Zugdehnung (Schadentoleranz) und der Maßstabilität kann in vielen Anwendungen wichtiger sein als die Festigkeit.
Die Präzipitationsreaktion beinhaltet eine diffusionsgesteuerte Agglomeration von Atomclustern, um Zonen zu bilden, die reich an gelösten Stoffen sind. In einem späteren Stadium scheidet sich eine eigene Phase von dieser Zone ab. Diese Klumpenbildung und Präzipitation bewirkt, dass sich die Festigkeit durch den Anstieg in der örtlich begrenzten Gitterverformung erhöht. Noch später wachsen die Präzipitate in der Größe, bis die gesamte Systemenergie durch Bildung einer Grenzfläche verringert werden kann. An diesem Punkt wird das Partikel eine inkohärente Phase und die Gitterverformung nimmt deutlich ab, wobei sie von einem Abfall in der Härte und Zugfestigkeit begleitet wird. Die Präzipitation der Partikel geht auch mit Änderungen an den physikalischen Abmessungen des Gussstückes mit der Zeit bei einer Temperatur einher. Daher wird für Anwendungen mit kritischen Abmessungstoleranzen das Gussstück über die Spitzenhärte hinaus bis zu jenem Punkt wärmebehandelt, an dem der Großteil der Abmessungsänderung stattgefunden hat, und wird dann maschinell auf die benötigten Abmessungen bearbeitet.
Die Wärmebehandlung von Aluminiumgussstücken ist ein energie- und kapitalintensives Verfahren, das bis zu 2 Tage oder länger einer verfahrensinternen Teilewärmebehandlung zu jedem Zeitpunkt beinhalten kann. Darüber hinaus, auf Grund von beträchtlichen Differenzen in der Gussstückmikrostruktur von Ort zu Ort innerhalb des Teiles, werden die Eigenschaften sowohl nach dem Gießen als auch nach der Wärmebehandlung mit dem Ort innerhalb des Teiles variieren. Daher werden die Mikrostruktur und die Wärmebehandlung für Eigenschaften an einem gegebenen Ort innerhalb des Gussstückes derzeit optimiert. Der Rest des Gussstückes kann schlechtere Eigenschaften aufweisen.
Darüber hinaus hat eine herkömmliche Wärmebehandlung Differenztemperaturrampen für die Lösungs- und Auslagerungstemperaturen auf Grund der Teilegeometrie zur Folge, die durch die relativ schlechte Wärmeübertragung von der Ofenatmosphäre auf das Teil getrieben ist. Dies führt dazu, dass verschiedene Teile des Gussstückes effektiv verschiedene Wärmebehandlungen erhalten. Der Abschreck-Arbeitsschritt ist ähnlichen Einschränkungen unterworfen, wenngleich in einem komprimierten Zeitfenster. Allerdings führt die reduzierte Zeitdifferenz noch zu einer schwerwiegenden spannungsinduzierten Verzerrung und sogar zu einem Brechen, die aus einer differentiellen Abkühlung resultieren.
Um diese Schwierigkeiten zusammenzufassen, die dünnen Gussstückabschnitte, die natürlicherweise die feinste Mikrostruktur infolge der schnelleren Erstarrung enthalten, sind genau dieselben Orte, die sich während der Wärmebehandlung erwärmen und abkühlen, aus demselben Grund; eine günstigere Wärmeübertragungsgeometrie. Dies bewirkt die längste Zeit bei einer Temperatur an den Orten mit den kürzesten Diffusionsabständen wie auch der größten Menge an bereits in Lösung befindlichen gelösten Stoffen, genau das Gegenteil von dem, was erwünscht ist. Somit werden, um den gewünschten Zustand in schwereren Abschnitten eines Gussstückes zu erhalten, andere Orte übermäßig übervergütet werden. Dies wird jedoch üblicherweise durch eine deutliche Verbesserung von Eigenschaften teilweise ausgeglichen, die durch die verfeinerte Mikrostruktur bewirkt wird, welche durch die schnellere Erstarrung in Aluminiumlegierungen verursacht wird. Eine verfeinerte Mikrostruktur ist insofern von Vorteil, da sie üblicherweise zu einer Reduktion in der Fehlergröße wie z. B. Porosität und Einschlüssen führt. Dies ist von der Wärmebehandlung unabhängig.
Die Probleme, welche mit Auslagerungsverfahren nach dem Stand der Technik einhergehen, können unter Bezugnahme auf 1 beschrieben werden. 1 ist eine grafische Darstellung der Zeit gegen die Temperatur, wobei mehrere Temperaturbereiche hervorgehoben sind. Die horizontalen Linien in der Fig. repräsentieren physikalische Eigenschaften der Legierung, die das Gussstück umfasst, welche in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung variieren. Diese sind thermodynamische Größen und sind von der mikrostrukturellen Feinheit unabhängig. Die Liquiduslinie ist die Temperatur, bei der die Erstarrung beginnt, und die Soliduslinie ist die Temperatur, bei der die Erstarrung abgeschlossen ist. Die Solvuslinie ist die Temperatur, oberhalb der der gelöste Stoff vollständig in Lösung ist; unter dieser kann die Legierung in einem zweiphasigen Gemisch vorliegen. Aus diesem Grund wird die Lösungsbehandlung bei einer Temperatur zwischen der Soliduslinie und der Solvuslinie durchgeführt. Die Gruppe von horizontalen Linien zwischen 100 und 200°C repräsentiert verschiedene Stadien der Präzipitationsreaktion. Dies ist der Auslagerungsbereich. Bei Temperaturen oberhalb der Solvuslinie lösen sich die Präzipitate und bei Temperaturen unterhalb dieser Linie wachsen sie und vereinigen sich.
Während der Lösungsbehandlung, Abschnitt 1, erwärmt sich ein relativ dünner Abschnitt des Gussstückes schnell auf die Lösungstemperatur. Der Abschnitt 2 ist jedoch viel dicker und braucht viel länger, um die Lösungstemperatur zu erreichen. Gleichermaßen hinkt beim Abkühlen der Abschnitt 2 dem Abschnitt 1 hinterher.
Die schwere Struktur des Abschnittes 2 weist relativ hohe Diffusionsabstände im Vergleich mit dem Abschnitt 1 auf. Auf Grund der Zeitverzögerung bis zum Erreichen dieser Temperatur bleibt der Abschnitt 2 auch über eine kürzere Zeitspanne bei der Lösungstemperatur als der Abschnitt 1. Darüber hinaus befindet sich der Abschnitt 2 auch über einen viel längeren Zeitbetrag in der Temperaturzone unterhalb der Solvuslinie, wo sich die Präzipitate und Partikel der zweiten eutektischen Phase vergröbern. Daher erfährt der schwere Abschnitt 2, wenn sich das Gussstück auf die Lösungstemperatur erwärmt, eine weitere Vergröberung, geradeso wie die Präzipitate, die sich während der Gussstückerstarrung gebildet haben, in dem dünnen Abschnitt 1 gelöst werden. Somit würde der Abschnitt 2 eine noch längere Zeit bei der Lösungstemperatur benötigen, um das Präzipitat vollständig zu lösen. Da die schweren Gussstückabschnitte auch eine größere Kernbildung der gelösten Stoffe in der Aluminiumphase zeigen, ist mehr Zeit für die Diffusion notwendig, um diese Konzentrationsgradienten zu eliminieren.
Beim Abschrecken befindet sich der Abschnitt 2 wiederum über längere Zeit in dem Präzipitatwachstumsgebiet, was zu weniger Übersättigung und somit weniger Festigungspotenzial führt. Allerdings ist es üblicherweise gerade dieser schwere Abschnitt, der die höchsten Belastungen in der Endanwendung trägt, sodass das Verfahren für die Eigenschaften in diesem Abschnitt optimiert werden muss.
Das Erwärmen auf die Auslagerungstemperatur führt zu Erwärmungsratenverteilungen, die denselben allgemeinen Muster folgen, wie für die Lösungsglühbehandlung beschrieben. Die Folge des Musters der Erwärmungsratendifferenz ist metallurgisch jedoch sehr verschieden.
Da der Präzipitationsvorgang durch den Ausgleich zwischen der zusammensetzungsbedingten Antriebskraft und der atomaren Beweglichkeit getrieben ist, und jede durch die Temperatur in der entgegengesetzten Richtung beeinflusst wird, ist ohne weiteres einzusehen, dass die Präzipitation in Abhängigkeit von den Temperaturdifferenzen über das gesamte Teil Variieren wird. Je größer die Differenz, desto größer ist die Schwankung und somit die Schwankung der Eigenschaften im gesamten Gussstück.
Wenn die Präzipitate beginnen, sich zu bilden, erhöhen sich die Härte und Festigkeit mit der Zeit bei einer Temperatur und die Duktilität nimmt infolge einer Zunahme in der Gitterverformungsenergie ab, die durch die Fehlausrichtung der Atomabstände zwischen dem Präzipitat und der Matrix erzeugt wird.
Wenn die Präzipitate wachsen, nimmt die örtlich begrenzte Verformung an der Präzipitat/Matrix-Grenzfläche zu, bis sie ein Maximum erreicht, bei dem die Systemenergie reduziert werden kann, indem die Bindungen zwischen dem Präzipitat und der Matrix aufgebrochen werden, wobei eine Phasengrenze gebildet wird. Wenn mehrere Präzipitate von der Matrix durch diese Grenzen getrennt werden (dekohärent mit der Matrix), wird diese Fehlausrichtungsspannung gelöst, wodurch die Härte und Festigkeit verringert werden und die Duktilität erhöht wird. Somit besteht die allgemeine Beobachtung darin, dass für eine gegebene Mikrostruktur die Härte und Festigkeit reziprok zu der Duktilität variieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Es wurde nun überraschenderweise festgestellt, dass Aluminium-Silizium-Gusslegierungen in einem sequenziellen Auslagerungsverfahren wärmebehandelt werden können, welches gleichzeitig eine hohe Dehnungs- als auch Zugfestigkeit erzielt. Der Wärmebehandlungsbereich beinhaltet ein Erwärmen bis zu der Nukleationsbehandlung durch Verwenden einer verbesserten Wärmebehandlungsumgebung, gefolgt von einem Abkühlen und einem anschließenden erneuten Erwärmen auf die Wachstumstemperatur. Dicke Abschnitte können entsprechend ausgelagert werden, während dünnere Abschnitte eine reduzierte Übervergütung erfahren, was gleichmäßigere Eigenschaften im gesamten Gussstück zur Folge hat.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 veranschaulicht eine Lösungsglüh- und Auslagerungsbehandlung für ein Silizium-Aluminium-Gussstück mit dicken und dünnen Abschnitten nach dem Stand der Technik;
2 veranschaulicht ein Stufenauslagerungsverfahren der gegenständlichen Erfindung, welches nach dem Lösungsglühen stattfindet;
3 und 4 veranschaulichen die Vorteile des stufenausgelagerten Verfahrens gegenüber dem herkömmlichen Auslagern; und
5–8 veranschaulichen die Vorteile des stufenausgelagerten Verfahrens gegenüber dem herkömmlichen Auslagern in Hartgussstücken und ungehärteten Gussstücken.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung sieht somit ein Verfahren vor, bei dem die Auslagerungskurve verflacht werden kann, was ein breiteres Betriebsfenster im Schadentoleranz-Fließgrenzenbereich ergibt, sodass alle Regionen des Gussstückes eine annehmbare Duktilität erlangen können, ohne dass es Abschnitte gibt, die einen signifikanten Verlust in der Zugfestigkeit erfahren. Dieses Verfahren kann noch bessere Erfolge im Zusammenwirken mit einem Wärmebehandlungsmedium mit höherer Wärmeübertragung wie z. B. Wirbelschichtsandbettreaktoren oder Polymerschmelzensystemen, z. B. Dowtherm^® Wärmeübertragungsmedien erzielen.
Um den Schwierigkeiten bei dem Auslagerungsverfahren nach dem Stand der Technik zu begegnen, wurde ein sequenzielles Auslagerungsverfahren entwickelt. 2 zeigt das Auslagerungsverfahren schematisch, wobei die Nukleation der festigenden Präzipitate als ein separater Schritt von dem Wachstum derselben Präzipitate getrennt wurde. Die Nukleation ist ein sehr kurzes Ereignis, dem eine Periode diffusionsgesteuerter atomarer Clusterbildung von gelösten Atomen vorangeht. Es ist von Vorteil, das Zeitintervall für die Clusterbildung in einer Umgebung gesteigerter Wärmeübertragung zu komprimieren, wenn Gussstücke mit sowohl dicken als auch dünnen Abschnitten beteiligt sind.
Der Stufenauslagerungszyklus kann in drei Ereignisse eingeteilt werden. Der erste Schritt, der durch den Punkt 3 in 2 angegeben ist, ist ein schnelles Aufheizen auf die Nukleationstemperatur. In diesem Schritt ist es von Vorteil, das gesamte Gussstück so schnell wie möglich auf die Nukleationstemperatur zu erwärmen, um zu vermeiden, dass sich in den ersten Präzipitaten ein übermäßiges Wachstum bildet. Darüber hinaus wird die Haltezeit kurz sein, gerade ausreichend, um die Nukleationsstel len zu aktivieren. Dies geschieht nicht augenblicklich, da zuerst eine gewisse Atomclusterbildung stattfinden muss, erfolgt jedoch schnell, in der Größenordnung von einigen zehn Minuten.
Von dem Nukleationsereignis wird das Gussstück abgekühlt, um das Wachstum der früher nukleierenden Partikel zu verzögern. Dies erfordert gegebenenfalls nicht das Verringern der Temperatur bis auf Raumtemperatur, allerdings sollte der Temperaturrückgang deutlich sein, etwa 100 Grad F oder mehr. Ein Halten bei Raumtemperatur oder niedrigerer Temperatur kann notwendig sein, um die Präzipitate zu stabilisieren, Punkt 4 in der Fig. Schließlich wird das Gussstück wieder auf die Wachstumstemperatur erwärmt, die bei einer niedrigeren Temperatur liegt als die Nukleationstemperatur, um die zusammensetzende Triebkraft zur Präzipitation zu erhöhen und den Volumenanteil von Präzipitaten im Gleichgewicht zu erhöhen. Die Länge der Zeit bei der Wachstumstemperatur bestimmt den Grad der Partikelkohärenz und die Temperaturverteilungsmuster während des Erwärmens und Abkühlens, gekoppelt mit der vorherigen Mikrostruktur, und steuert die Veränderung im gesamten Gussstück. Die im Stand der Technik beschriebene Präzipitationshärtungssequenz zum Auslagerungshärten von Aluminiumlegierungen besteht aus einer anfänglichen Bildung von GP-Zonen mit einem späteren Übergang in Θ'' und dann in die Θ''-Phase mit weiterer Zeit bei einer Temperatur. Das erfindungsgemäße Verfahren kann entweder die anfänglichen unterschiedlichen Phasenübergänge durch Nukleieren bei einer höheren Temperatur umgehen oder diese Sequenz kann zu schnell voranschreiten, um nachgewiesen zu werden. Unabhängig vom Weg ist der Endzustand von elementarer Wichtigkeit in der Entwicklung der mechanischen Eigenschaften. Ein Abschrecken von der Nukleations- auf die Wachstumstemperatur kann ebenfalls möglich sein, vorausgesetzt dass genaue und schnelle thermische Zustände entsprechend geregelt werden.
In einer Legierungsentwicklungsstudie wurde eine übermäßige Dichte von Θ'-Präzipitaten in modifizierten Al-Si-Cu-Legierungen festgestellt. Um die Herkunft dieser übermäßigen Präzipitate festzustellen, wurden Forschungen unternommen, um die Nukleations- und Wachstumsereignisse während der Auslagerungsbehandlungen getrennt zu verfolgen. Die Zugergebnisse für eine mit Strontium modifizierte Legierung 319 wurde von gehärteten und ungehärteten Abschnitten desselben Gussstückes, das auf T6, T7 vergütet wurde, und sequenziell vergüteten Härtegraden gemessen. Der T6-Härtegrad ist die Spitzenhärte, der T7-Härtegrad ist übervergütet und stufenausgelagert ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung, wobei festigende Präzipitate zuerst durch eine kurze Verweilzeit bei hoher Temperatur nukleiert und dann auf Raumtemperatur abgekühlt werden, worauf folgt, dass sie länger einer niedrigen Auslagerungstemperatur ausgesetzt werden.
In diesen mit Strontium modifizierten Legierungen zeigen stufenweise ausgelagerte Muster eine geringfügige Abnahme in der Zugfestigkeit im Vergleich mit dem T6-, aber eine Zunahme in der Zugdehnung im Vergleich mit dem T7-Zustand, insbesondere bei Mn/Fe-Verhältnissen von 1,0 bis 1,45. Die Ergebnisse sind noch signifikanter in den ungehärteten Gebieten. Mikrostrukturelle Merkmale in größerem Maßstab wie auch das Vorhandensein einer Mikroporosität von 0,5 bis 1,0%, die beide nachteilig für die Zugeigenschaften, insbesondere die Dehnung, sind, kennzeichnen die ungehärteten Gebiete in allen Gussstücken.
Die Ergebnisse für Gussstücke, die ohne chemische Modifizierung mit Strontium hergestellt wurden, wurden ebenfalls untersucht. In diesem Satz ist die Gruppierung der Ergebnissen von Gehärtet und Ungehärtet nicht so ausgeprägt. Wenngleich die Eigenschaften von Gehärtet noch immer höher sind, besteht eine gewisse Überlappung zwischen der gehärteten Festigkeit der T7-Gruppe und der ungehärteten Festigkeit der T7-Gruppe. Allerdings zeigt die Zugdehnung eine vollständige Trennung zwischen den gehärteten und ungehärteten Probestücken unabhängig vom Härtegrad. Wiederum besteht das wichtige Merkmal im Hinweis darauf, dass der stufenweise ausgelagerte Härtegrad eine Zugfestigkeit aufweist, die der Spitzenfestigkeit (T6) nahe kommt, aber die Dehnung jene des übervergüteten (T7-)Zustands überschreitet.
Ein weiteres wichtiges Merkmal ist eine Änderung des Ortes der Spitzenwerte mit einer Modifizierung des Mn/Fe-Verhältnisses und des eutektischen Siliziums. Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass die optimale Wärmebehandlung nicht nur eine Funktion der erwünschten Eigenschaftsbereiche, wie durch die Anwendung bestimmt, ist, sondern dass auch die Zusammensetzung der Legierung die Zusammensetzung und Mikrostruktur des Gussstückes beeinflussen wird.
Für höhere Silizium-Aluminium/Al-11, Si-2.25, Cu-0.3, Mg-0.4, Fe-0,55, Mn-0,02, Sr)-Legierungen wurden die Härte- und Zugeigenschaften für verschiedene Zeiten bei der sekundären Auslagerungstemperatur gemessen. In dieser Testserie wurden alle Gussstücke zuerst lösungsbehandelt und abgeschreckt mithilfe eines identischen Verfahrens: 910°F für 8 Stunden, gefolgt von einem Abschrecken in heißem (120–140°F) Wasser. Die Härte bleibt im Wesentlichen flach oder nimmt für die sequenziell ausgelagerten Gussstücke sogar ab, wohingegen die 380°F (T6)- und 440°F (T7)-vergüteten Legierungen beide einen charakteristischen Anstieg bis zu einer Spitze erfahren und dann abnehmen.
In den 3 und 4 hingegen sind die einzigartigen Merkmale dieses Wärmebehandlungsverfahrens veranschaulicht. 3 zeigt die endgültige Zugfestigkeit in sowohl gehärteten als auch ungehärteten Abschnitten von Sandgussstücken. Für die sequenzielle Auslagerung wie auch für eher traditionelle T6- und T7-Behandlungen ist eine deutliche Abnahme in der Festigkeit ohne die gehärtete Mikrostruktur vorhanden. Dieses Merkmal ist in 4 für die Zugdehnung noch ausgeprägter. Allerdings findet, wenn die zweite Auslagerungsbehandlung in dem Stufenauslagerungszyklus von 120 bis 240 bis 360 Minuten fortschreitet, eine entsprechende Zunahme in der Zugfestigkeit als auch der prozentuellen Dehnung statt. Darüber hinaus schreiten diese Änderungen voran, während die Brinell-Härte tatsächlich abnimmt. Eigentlich hätte die Spitze in der Festigkeit und Dehnung nicht mit 360 Minuten erreicht werden können. Der Versuch wurde bei 360 Minuten auf der Basis abnehmender Härteniveaus beendet, es ist jedoch bekannt, dass es sich dabei um einen unzuverlässigen Richtwert handelt, da die üblicherweise beobachteten Beziehungen zwischen Härte- und Festigkeitseigenschaften in stufenweise ausgelagerten Gussstücken überraschenderweise nicht vorhanden sind.
Die unerwarteten Ergebnisse, in denen sowohl die Zugfestigkeit als auch die Dehnung hintereinander verbessert werden, während die Härte des gesamten Gussstückes nicht wesentlich beeinflusst zu sein scheint, gestatten es, die Eigenschaften von Aluminium-Silizium-Gussstücklegierungen auf eine Art und Weise maßzuschneidern, wie es bisher nicht für möglich gehalten wurde. Darüber hinaus scheint es, dass der Effekt in den ungehärteten Gebieten von Gussstücken mit geringerer Festigkeit noch größer ist. Dies ist eine besonders gute Nachricht für Designer, die auf Grund des begrenzten Ausmaßes, in dem ein Härten innerhalb eines gegebenen Gussstückes möglich ist, Kompromisse bei Designs eingehen mussten.
Ein weiterer überraschender Faktor ist die flache Härtekurve. Es wird angenommen, dass eine Ausbreitung von Wärmebehandlungen über ein komplexes Gussstück bis zu einem gewissen Grad unvermeidbar ist. Wenn die Härte jedoch ein gutes Maß für die maschinelle Bearbeitbarkeit eines Gussstückes ist, ist eine größere Gleichmäßigkeit der Metallentfernung während der maschinellen Bearbeitung zu erwarten. Dies gestattet es Technikern, das maschinelle Bearbeitungsverfahren unter Verwendung optimalerer Maschinenwerkzeuge, -vorschübe und -geschwindigkeiten im Vergleich mit herkömmlich verarbeiteten Gussstücken einzurichten, bei denen der Ort schlechtester maschineller Bearbeitbarkeit die Maschineneinstellparameter vorgibt. Diese Faktoren können den Durchsatz und die Werkzeughaltbarkeit stark verbessern. Eine Kombination des sequenziellen Auslagerungsverfahrens mit gleichmäßigeren Wärmeeinflüssen unter Verwendung eines Wirbelschichtofen- oder Flüssigkeitswärmebehandlungsverfahrens sollte diese Schwankungen in einem noch größeren Ausmaß reduzieren.
Die wichtigen Merkmale des vorgeschlagenen sequenziellen Auslagerungswärmebehandlungsverfahrens sind:

1. Schnelle Bildung von atomaren Clustern. Dies wird durch Erwärmen des gesamten Teils auf eine Temperatur bewerkstelligt, die deutlich über jenen Temperaturen liegt, die üblicherweise verwendet werden, um eine Spitzenfestigkeit zu erreichen.
2. Unterbrochenes Wachstum aller Präzipitate. Abkühlen auf eine Temperatur von begrenztem Diffusionsvermögen so schnell wie möglich unmittelbar nach dem Nukleationsereignis für die präziseste Steuerung.
3. Gesteuertes Wachstum aller Präzipitate auf gleichmäßige Weise. Dies wird bei einer Temperatur stattfinden, die geringfügig niedriger ist als beim herkömmlichen Auslagern.
4. Größere maximale Vol.-Prozent von Präzipitaten. Eine niedrigere Endauslagerungstemperatur führt zu einem höheren Gleichgewichtsvolumen der Präzipitat-Phase.

Der optimale Zyklus wird als eine Funktion der Zusammensetzung und Mikrostruktur variieren, kann von einem Fachmann jedoch ohne übermäßiges Experimentieren ermittelt werden. Für eine gegebene Legierung umfassen zu überprüfende Beziehungen eines oder mehrere von: die Erwärmungsrate bis zur Nukleationstemperatur, die Nukleationstemperatur, die Nukleationszeit bei einer Temperatur, die Zwischenabschreckrate, die Zwischentemperaturabnahme, die zum Anhalten des Wachstums notwendig ist, die Haltezeit bei der Temperatur ohne Wachstum, Abschrecken direkt von der Nukleationstemperatur auf die sekundäre Auslagerungstemperatur, die sekundäre Auslagerungstemperatur, die sekundäre Auslagerungszeit (Aushärtungskurven), die sekundäre Abkühlrate. Viele dieser Parameter sind für eine gegebene Legierung bereits bekannt.
Der Auslagerungsnukleationsschritt zur Wärmebehandlung von Aluminiumgussstücklegierungen wurde somit als eine Mittel zum Erlangen von Kombinationen von mechanischen Eigenschaften entwickelt, die bisher nicht erlangt wurden. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die Reduktion in der Veränderung von Eigenschaften innerhalb eines Gussstückes, die durch die komplexe Wechselwirkung der Mikrostruktur und des lokalen Wärmeprofils verursacht ist. Das zuvor beschriebene Verfahren ist in den nächsten Absätzen erweitert und nicht einschränkend mithilfe von tatsächlichen Beispielen veranschaulicht.
Der Auslagerungsnukleationsschritt ist eine kurze Verweilzeit bei höherer Temperatur nach dem Abschrecken und vor dem Warmauslagern des typischen in der Industrie verwendeten Lösung-Abschrecken-Auslagern-Aluminium-Präzipitationsauslagerungszyklus. Der Zweck dieses Schrittes besteht darin, die Nukleation der aushärtenden Präzipitate innerhalb der Aluminiummatrix zu beschleunigen. Es wird allgemein angenommen, dass während des Auslagerns mehrere Nukleationsereignisse stattfinden, wobei optimale Eigenschaften erzielt werden, wenn die dritte von vier Stufen erreicht wird. Die Sequenz lautet (1) G. P.-Zonen-Nukleat, (2) Θ''-Präzipitate-Nukleat auf Kosten der G. P.-Zonen, (3) Θ'-Präzipitate-Nukleat (wenn nicht klar ist, ob diese aus den Θ''-Präzipitaten wachsen oder ein separates Nukleationsereignis sind), (4) schließlich die stabilen Θ-Phasen-Nukleate. Die ersten drei Präzipitate sind kohärent mit der Matrix und führen zu einer erhöhten Gitterverformung und einem Widerstand gegenüber einer Dislokationsbewegung in der Reihenfolge G. P. Θ'' Θ'. Die vierte Phase ist gekennzeichnet durch eine inkohärente Grenzfläche mit der Matrix und führt zu einer starken Verringerung in der Gitterverformung und daher einer Reduktion in der Härte und Festigkeit und wird als der übervergütete Zustand bezeichnet. Der letzte Übergang in die stabile Phase wird als ein rein wachstumsgesteuerter Prozess (d. h. kein neues Nukleationsereignis) angesehen.
Während der Auslagerungsbehandlung wird das abgekühlte Gussstück bei der Auslagerungstemperatur, auf die es zu erwärmen ist, in einen Ofen eingeführt. Die äußeren Teile des Gussstückes mit dem höchsten Oberflächen/Volumen-Verhältnis werden sich schneller erwärmen als die dickeren inneren Abschnitte. Dies führt dazu, dass einige Teile des Gussstückes die Temperatur schneller Diffusion lange vor den anderen Abschnit ten erreichen. Üblicherweise sind genau dies die Orte, die die verfeinerte Mikrostruktur, höhere Dichte von Nukleationsstellen und die höhere Triebkraft zur Präzipitation aufweisen.
Somit muss für den zu verwendenden Auslagerungsnukleationszyklus die Differenz in der Erwärmungsrate der verschiedenen Abschnitte des Gussstückes viel kleiner sein als ein kritischer Wert. Es ist diese Differenz, die den Grad bestimmt, in dem die Eigenschaften optimiert werden können. Je größer die Differenz, umso kleiner wird der Einfluss sein. Wenn eine herkömmliche Heizeinrichtung verwendet wird, ist der Effekt des Auslagerungsnukleationsschrittes ein Minimum, er ist aber noch immer eine deutliche Verbesserung gegenüber der herkömmlichen Einzelstufenauslagerung.
Um den Effekt zu ermitteln, müssen die Veränderung in der Mikrostruktur innerhalb des Gussstückes (die lokale Erstarrungsrate), die Wirksamkeit der Lösungsbehandlung und die Differenzen der lokalen Erwärmungsraten innerhalb des Gussstückes bekannt sein. Die Erwärmungsrate ist in herkömmlichen Umluftöfen nur zu einem geringeren Grad steuerbar. Allerdings kann ein Erwärmen in einem Salzschmelzenbad oder einem Wirbelschichtofen die Erwärmungsrate und die differentielle Erwärmung des Gussstückes deutlich verändern. Jedoch sind die Erwärmungsrate und die differentielle Erwärmung nach wie vor durch Konvektion zu dem und Leiten durch das Gussstück gesteuert und sie werden daher beinahe konstant sein (aber bei einer anderen Konstanten als bei dem Umluftofen). Dies wird ein Testen bei deutlich verschiedenen Erwärmungsraten und -differenzen für die gleichen Gussstücke gestatten. Ein neues magnetisches Erwärmungsverfahren mit der Bezeichnung Core Thermal Technology (CTT), patentiert von MTECH, verspricht, eine Veränderung der Erwärmungsrate zu ermöglichen und damit diese zu ermitteln und auf ein optimales Niveau zu steuern. Es ist zu erwarten, dass vollständig neue Kombinationen von Eigenschaften mit dieser Art von Steuerung erzielt werden können. Die durchschnittliche Erwärmungsrate beträgt bevorzugt etwa 1,5°F/min oder mehr, stärker bevorzugt ≥ 2°F/min, noch stärker bevorzugt ≥ 3°F/min, noch stärker bevorzugt ≥ 5°F/min und am stärksten bevorzugt ≥ 10°F/min.
In herkömmlichen Chargen-Erwärmungsverfahren von großen industriellen Gussstücken (Zylinderblöcken, die ca. 100 Pfund schwer sind) kann es bis zu 2 Stunden dauern, die zentrale Partie des Gussstückes auf 400°F zu erwärmen, wohingegen der dünne Kupplungsgehäuseabschnitt 400 Grad in 30 Minuten erreichen kann. Die minimale Erwärmungsrate beträgt 2,75°F/min und das Maximum beträgt 11. Die Differenz beträgt 8,25°F/min. Für experimentelle Teststücke mit einem Gewicht von einem Pfund wurde eine Differenz von weniger als 2°F/min mit demselben Minimum von 2,75°F/min erzielt. Dies hatte die zuvor beschriebenen Festigkeits- und Dehnungsverbesserungen zur Folge. Die Differenz beträgt bevorzugt 7°F/min oder weniger, stärker bevorzugt ≤ 5°F/min, noch stärker bevorzugt ≤ 3°F/min und am stärksten bevorzugt ≤ 2°F/min.
Schließlich stellte sich heraus, dass der Auslagerungsnukleationszyklus bei 30 Minuten und 60 Minuten Temperdauer effektiv war, und wenn es 120 Minuten dauert, um die Temperatur zu erreichen, geht die Anwendbarkeit der Verwendung dieses Zyklus verloren. Es besteht somit die Notwendigkeit, die Auslagerungsnukleationstemperatur (400 bis 500°F) bevorzugt innerhalb von 60 Minuten an dem Abschnitt langsamster Erwärmung des Gussstückes zu erreichen (minimale Erwärmungsrate von etwa 7,2°F/min). Ein langsameres Erwärmen wird proportional weniger außergewöhnliche Ergebnisse zur Folge haben. Die minimale Erwärmungsrate, um irgendeinen Effekt nachzuweisen, ist nicht bekannt, es ist jedoch be kannt, dass ein Maximieren der Erwärmungsrate in dem Abschnitt langsamster Erwärmung des Gussstückes wünschenswert ist.
Es ist daher wichtig, dass ein Erwärmungsmittel verwendet wird, welches zulässt, dass der Abschnitt des Gussstückes mit der langsamsten Erwärmung die Auslagerungsnukleationstemperatur in 100 Minuten oder weniger, bevorzugt 90 Minuten oder weniger, noch stärker bevorzugt 60 Minuten oder weniger und am stärksten bevorzugt 30 Minuten oder weniger erreicht, wobei jede Zeit innerhalb dieser Bereiche als hierin spezifisch offenbart betrachtet wird. Um diese Erwärmungsraten zu erhalten, muss das Mittel zum Erwärmen derart gewählt sein, dass es eine hohe Wärmeübertragungsrate aufweist. Im Allgemeinen besitzen übliche Öfen diese Fähigkeit nicht. Geeignete Öfen werden von der Teilegeometrie und insbesondere von der Beziehung zwischen dicken und dünnen Abschnitten abhängig sein. Für Gussstücke, bei denen diese Differenz mittelmäßig ist, kann ein Heißluftofen mit schneller Umluft-(Strahl)-Kühlung ausreichend sein. Allerdings muss für die meisten Gussstücke mit einer angemessenen Komplexität eine höhere Wärmeübertragungsrate verwendet werden. Dies trifft selbst dann zu, wenn keine dünnen Abschnitte des Gussstückes, sondern nur dicke, selbst gleichmäßig dicke Abschnitte vorhanden sind, wie in solchen Gussstücken, bei denen die Rate der Erwärmung des Äußeren und Inneren in Betracht kommt und die physikalischen Eigenschaften von dem Abstand von der Oberfläche des Gussstückes variieren können.
Es wird bevorzugt, dass eine höhere Wärmeübertragungsrate verwendet wird als eine, die üblicherweise nur durch Umluft erzielt werden kann. Beispiele für solche Erwärmungsmittel umfassen Hochtemperaturöle wie z. B. jene, die unter dem Handelsnamen Dowtherm^TM erhältlich sind, Salzschmelzenbäder und Wirbelschichtöfen, in denen Partikel in der Wir belschicht Wärme auf das Gussstück übertragen. Es kann auch ein Luftstrahlofen verwendet werden. In solch einem Ofen sind die Gussstücke in einer festen Position orientiert, wenn sie in den Ofen gelangen, der eine Umluftzirkulation aufweisen kann oder nicht. Strahlen von Luft mit höherer Temperatur werden an die massivsten (dicken Abschnitt)-Partien des Gussstückes geleitet. Diese Strahlen können robotergesteuert sein. Infolgedessen ist die Zeit bis zu der Temperatur dieser Partien des Gussstückes herabgesetzt und wird daher näher bei jener der dünnen Abschnitte des Gussstückes liegen. Die dünnen Abschnitte können auch isoliert oder teilweise abgeschirmt sein, entweder von der allgemeinen heißen Luft des Ofens oder den heißen Luftstrahlen, was wiederum die differentielle Erwärmungsrate senkt.
Ebenso wird für die Schritte des Auslagerungsverfahrens, welche eine Abkühlung erfordern, das Kühlmittel derart gewählt, um die gewünschte Abkühlrate vorzusehen. Es ist höchst wünschenswert, dass die differentiellen Abkühlraten in dem Gussstück minimiert sind, weshalb wiederum geeigneterweise Wirbelschichtkühler, Wasser oder Ölbäder verwendet werden können. Es können auch Salzbäder mit einem niedrigen Schmelzpunkt verwendet werden. Sowohl beim Erwärmen als auch beim Abkühlen, wenn Bäder verwendet werden, ist es wünschenswert, dass das Bad gerührt oder sonst wie durchmischt wird.
Nach der allgemeinen Beschreibung der Erfindung erlangt man ein weiteres Verständnis durch Bezugnahme auf bestimmte spezifische Beispiele, die hierin nur zur Veranschaulichung vorgesehen sind und nicht einschränkend zu betrachten sind, wenn nicht anders angegeben.
Ein geplantes Experiment wurde durchgeführt, in dem ein zweistufiges Auslagerungsverfahren anstelle des herkömmlichen Temperns bei einer einzigen Temperatur nach einer Lösungsbehandlung und einem Abschrecken verwendet wurde. Der erste Auslagerungsschritt umfasste 30 Minuten bei einer Temperatur und der zweite Schritt umfasste das Halten für 6 Stunden bei der niedrigeren Temperatur. Ein verbessertes Wärmeübertragungs-Erwärmungsverfahren, bestehend aus einer Wirbelschicht, wurde verwendet, um Gussstücke gemäß der Erfindung zu erwärmen. Zum Vergleich wurde ein herkömmlicher Luftumwälzofen verwendet. Darüber hinaus, um die Erwärmungsrate in einem herkömmlich beschickten Produktionsverfahren für Aluminiumzylinderblöcke anzukurbeln, wurde ein dritter Zustand verwendet, in dem die Prüfstücke in einer Faserbahn (Kaowool^TM) eingewickelt waren. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Verbesserung in der Härte mit der Erwärmungsrate. Für die Zugeigenschaften zeigen die Daten an, dass die Verwendung einer hohen Erwärmungsrate für nur einen der Auslagerungsschritte gewährleistet ist; für eine höhere Festigkeit sollte während des ersten Auslagerungszyklus eine höhere Erwärmungsrate verwendet werden und für eine höhere Duktilität ist eine hohe Erwärmungsrate in der zweiten Stufe angezeigt. In beiden Fällen ist die Kombination aus Festigkeit und Duktilität einer herkömmlichen Wärmebehandlung überlegen, wenn eine doppelte Auslagerung verwendet wird. Die Erwärmungsrate lag im Bereich von 0,05°F/s in den faserbahnumwickelten Teilen und 2,8°F/s für die Wirbelschichtbehandlung. Man geht davon aus, dass höhere Raten bis zu 20°F/s zweckdienlich sind.
Prozedur
Zehn „Rost”-Form-Gussstücke wurden aus einer Schmelze von B319 Aluminiumlegierung hergestellt (siehe Tabelle 1). Eines der Gussstücke wurde mit Thermoelementkabeln vom Typ K in der Form gegossen, um die Erstarrungsraten in den gehärteten und den ungehärteten Gebieten des Gussstückes zu messen, wie auch, um die Erwärmungsraten während der Wärmebehandlung zu messen.
Das Rostgussstück besteht aus 5 Stäben mit 1,25 × 0,75 Zoll im Querschnitt × 17 Zoll Länge. Querstäbe verbinden alle fünf an beiden Enden.
Das Gussstück weist einen Anschnitt von einem Ende weg auf und ein Stahlkühleisen verläuft über alle fünf Stäbe ¾ der Strecke von dem Anschnitt bis zu dem entfernten Ende des Gussstückes. Tabelle 1. Legierungschemie

Si Fe Cu Mn Mg Ti

6,6 0,4 3,9 0,57 0,43 0,12

Tabelle 2. Gemessene Erwärmungsraten

Sollwert 360°F Sollwert 480°F

Wirbelschicht 2,8°F/s 1,2°F/s

Luft 0,6°F/s 0,3°F/s

Luft (eingewickelt) 0,1°F/s 0,05°F/s
Die Erwärmungsraten werden aus der Durchschnittszeit zum Erwärmen von 100°F auf 340 oder 450°F berechnet.
Alle Gussstücke wurden bei 923°F in einer Sandwirbelschicht 270 Minuten lang lösungsbehandelt und dann in einem Sandbett bei 72°F abgeschreckt und gehalten, bis sie Raumtemperatur erreichten (etwa 20 Minuten lang). Die Gussstücke wurden 24 Stunden lang kalt ausgelagert und dann in der ersten Auslagerungsbehandlung angeordnet; drei wurden in der Wirbelschicht und drei in dem Umluftofen ausgelagert und drei wur den in einer Faserbahn eingewickelt und in dem Umluftofen angeordnet, alle bei 480°F. Infolge der verschiedenen Erwärmungsraten war der Gesamtzyklus für jeden Zustand verschieden, es wurden jedoch alle 30 Minuten lang bei 480°F gehalten und dann herausgenommen und an der Luft abkühlen gelassen. Nach weiteren 24 Stunden kalter Auslagerung wurden die Gussstücke wiederum in drei Gruppen unterteilt, die jeweils aus einem Gussstück aus der Wirbelschicht, einem aus dem Heißluftofen und einem, das eingewickelt war, bestanden. Diese drei Gruppen wurden ein zweites Mal unter den drei Erwärmungsbedingungen ausgelagert, aber sechs Stunden lang bei 360°F gehalten. Schließlich wurden die Gussstücke herausgenommen und in der Umgebungsluft abkühlen gelassen. Die Stäbe wurden von den Gussstücken abgetrennt, sowohl die neben dem Kühleisen als auch die von dem Kühleisen entfernten, maschinell bearbeitet und bei Raumtemperatur auf Zug getestet.
Ergebnisse
Jeder Zustand ergab fünf Hartgussstäbe und fünf ungehärtete Stäbe. Jeweils zwei wurden zur Überprüfung der Brinell-Härte (einer nach dem Auslagerungszyklus 1 und der andere nach dem Auslagerungszyklus 2) verwendet und drei der wärmebehandelten Stäbe wurden maschinell zu Zugstäben bearbeitet und unter Verwendung eines Extensometers in der Messlänge bis zum Bruch auseinandergezogen, um die Zugdehnung zu messen.
Diskussion
Die in den 5 bis 8 angegebenen, herkömmlich wärmebehandelten Punkte sind aus der gleichen Legierung und der gleichen Gussstückkonfiguration genommen, allerdings, unter Verwendung eines Heißluftofens zum Lösen (920°F für 8 Stunden) und Auslagern (380°F für 8 Stunden), bis zu einem voll gehärteten T6-Zustand und dem übervergüteten (T7)-Zustand (gleiches Lösen und Abschrecken, dann Auslagern bei 440°F für 6 Stunden) wärmebehandelt. Diese wurden mit Wasser abgeschreckt gegenüber einem langsameren Abschrecken mit Sand für die sequenziell ausgelagerten Muster. Die größere Härte, höhere Fließgrenze und geringere Zugdehnung zeigen allesamt an, dass die herkömmlich T6-behandelten Gussstücke nahe an der Zugfestigkeitsgrenze für dieses Verfahren liegen. Gleichermaßen zeigen die geringere Härte und Festigkeit in Kombination mit der höheren Dehnung einen übervergüteten Zustand in dem T7-Zustand an.
Sowohl für die herkömmliche T6- als auch für die höchste Erwärmungsrate, die in beiden Auslagerungsschritten an ungehärteten Probekörpern verwendet wurden, war die Zugdehnung unzureichend, um eine Fließgrenze zu ermitteln (< 0,2%).
Härte
5 zeigt einen Graph der gesamten Härtedaten. Die x zeigen die herkömmlich ausgelagerten Probekörper zur Referenz und die Rauten in Volllinie zeigen die Härte nach dem ersten Auslagerungsschritt. Nach der ersten Behandlung ist zu erkennen, dass die schnellere Erwärmungszeit eine größere Härte sowohl für die gehärteten als auch die ungehärteten Mikrostrukturen zur Folge hat. Dies geschieht, obwohl zu erwarten wäre, dass der Gesamtbetrag an Präzipitation in den langsamer erwärmten Muster größer ist. Überdies, nach der zweiten Auslagerungsbehandlung, scheint der Effekt der Erwärmungsrate der Stufe 1 vollständig eliminiert zu sein (alle drei Kurven sind horizontal – zeigen keinen Bezug zu der Erwärmungsrate der Stufe 1). Allerdings zeigen die Linien einen direkten Bezug zu der Erwärmungsrate der Stufe 2, wobei ein schnelleres Erwärmen wiederum eine größere Härte begünstigt. Keiner dieser Zustände folgt der herkömmlichen Regel, nach der die Härte mit der Auslagerungszeit bei einer Temperatur zunimmt, ein Maximum durchläuft und dann abnimmt, wenn das Metall „übervergütet” wird.
Zugfestigkeit
Die 6, 7 und 8 geben die endgültige Zugfestigkeit, Fließgrenze bzw. Zugdehnung für alle getesteten Zustande an. Die bemerkenswerteste Tatsache ist die, dass eine sequenzielle Auslagerungsbehandlung unabhängig von der Erwärmungsrate eine überlegene Kombination von Zugeigenschaften, insbesondere der Zugdehnung ergibt. Die Daten bestätigen die allgemeine Binsenweisheit, dass eine höhere Dehnung eine geringere Fließgrenze zur Folge hat. Allerdings zeigen die Daten auch, dass die Verwendung der Auslagerungsnukleationsbehandlung die möglichen Festigkeits- und Dehnungswerte in einen deutlich höheren Bereich verschiebt. Mit Ofentechnologien mit einer höheren Erwärmungsrate ist dieser neue Eigenschaftsbereich zur kommerziellen Anwendung verfügbar. Tatsächlich wurde gleichzeitig eine Kombination von Eigenschaften erzielt, die eine höhere Zugfestigkeit als T6 und eine höhere Zugdehnung als T7 erzielt.
Die Differenz in den Eigenschaften zwischen einer gehärteten und einer ungehärteten Mikrostruktur ist nach wie vor bemerkenswert. Allerdings, wenn ein Auslagerungsnukleationsschritt dem Wärmebehandlungszyklus hinzugefügt wird, ergibt sich die Möglichkeit, beträchtliche Niveaus von Zugdehnung zu erzeugen, was Fließgrenzenniveaus zur Folge hat, die jenen nahekommen, welche in gehärteten Mikrostrukturen anzutreffen sind.
Während Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurden, ist nicht vorgesehen, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung veranschaulichen und beschreiben. Vielmehr ist der in der Beschreibung verwendete Wortlaut ein beschreibender Wortlaut und keine Einschränkung und es ist einzusehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Mehrstufiges Warmauslagerungsverfahren für eine Aluminium-Silizium-Gusslegierung, welches umfasst, dass: a) das Gussstück lösungsgeglüht wird, um Legierungselemente zu lösen, gefolgt von einem Abkühlen; b) das Gussstück auf die Nukleationstemperatur erwärmt wird und für eine Zeit, die ausreichend ist, um die Nukleation im gesamten Gussstück zu induzieren, bei einer Temperatur gehalten wird, die zumindest gleich der Nukleationstemperatur ist; c) das Gussstück auf eine niedrigere Temperatur abgekühlt wird; d) Präzipitate als eigene Phase in dem Gussstück wachsen gelassen werden; und e) das Gussstück auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Differenzzeit bis zu einer Temperatur zwischen schweren und dünnen Abschnitten eines Gussstückes verringert wird, indem das Gussstück in einem Heizgerät erwärmt wird, welches eine hohe Wärmeübertragungsrate aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Brinell-Härte des Gussstückes abnimmt und sowohl die Zugfestigkeit als auch -Dehnung zunehmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erwärmen in Schritt b) bei einer hohen Wärmeübertragungsrate bewerkstelligt wird, die durch ein flüssiges Wärmebehandlungsmedium oder einen Wirbelschichtofen bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Differenzzeit bis zu einer Temperatur verringert wird, indem schwerere Abschnitte des Gussstückes mit einem vergrößerten Volumen von heißem Fluid in Kontakt gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Erwärmungsrate des Gussstückes in Schritt b) mindestens 1°F/s im Durchschnitt über die Erwärmungszeit bis zu der Nukleationstemperatur beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Erwärmungsrate des Gussstückes in Schritt d) mindestens 1,5°F/s im Durchschnitt über die Erwärmungszeit bis zu der Präzipitatwachstumstemperatur beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur in Schritt c) ausreichend niedrig ist, sodass ein Präzipitatwachstum nicht stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Kühlrate eine Kühlrate ist, die schneller ist als die, die in einem Umluftofen erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Abkühlen in einer Flüssigkeit, in einer Wirbelschicht, durch Auftreffen eines Gasstrahles oder eine Kombination daraus bewerkstelligt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt c) das Gussstück auf eine Temperatur abgekühlt wird, die niedriger ist als jene, die erforderlich ist, um Präzipitate aufzuwachsen, und das Gussstück in Schritt d) wieder auf eine Temperatur erwärmt wird, die für ein Wachstum von Präzipitaten ausreichend ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei anschließend an die Nukleation in Schritt b) das Präzipitatwachstum in dem Gussstück ein schnelles Abschrecken auf eine Temperatur ist, bei der das Wachstum von Präzipitate unterbrochen ist, gefolgt von einem Präzipitatwachstum bei einer Temperatur, die niedriger ist als die Nukleationstemperatur.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Abschnitt langsamster Erwärmung des Gussstückes die Auslagerungsnukleationstemperatur in 100 Minuten oder weniger erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Abschnitt langsamster Erwärmung des Gussstückes die Auslagerungsnukleationstemperatur in 60 Minuten oder weniger erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Abschnitt langsamster Erwärmung des Gussstückes die Auslagerungsnukleationstemperatur in 30 Minuten oder weniger erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die durchschnittliche Erwärmungsrate auf die Nukleationstemperatur in Schritt b) ≥ 1,5°F/min beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die durchschnittliche Erwärmungsrate auf die Nukleationstemperatur in Schritt b) ≥ 3°F/min beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gussstück dünne und dicke Abschnitte aufweist und die Differenz zwischen den Erwärmungsraten der dünnen und dicken Abschnitte in Schritt b) kleiner als 7°F/min ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Gussstück dünne und dicke Abschnitte aufweist und die Differenz zwischen den Erwärmungsraten der dünnen und dicken Abschnitte in Schritt d) kleiner als 7°F/min ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das mehrstufige Auslagerungsverfahren sowohl eine höhere Zugfestigkeit als jene eines Gussstückes mit T6-Vergütung als auch eine höhere Zugdehnung als jene eines Gussstückes mit T7-Vergütung zur Folge hat.