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Hintergrund
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Die
vorliegende Offenlegung betrifft allgemein die Wärmebehandlung von auslagerungsaushärtbaren Aluminiumgusslegierungen
und bezieht sich insbesondere auf die Wärmebehandlung von Aluminiumgusslegierungen
durch direktes Abschrecken von der Lösungsbehandlungs- auf die Auslagerungstemperatur.
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Aluminium-Siliziumlegierung-Gussteile
werden typischerweise in großem
Volumen für
diverse Anwendungen produziert. In vielen dieser Anwendungen wie
z. B. Zylinderblöcken
und -köpfen,
Getriebegussteilen und dergleichen können die Gussteile relativ
komplex sein. Um entsprechende physikalische Eigenschaften wie z.
B. Zugfestigkeit, Dehnung und Härte
zu beschaffen, werden Aluminium-Silizium-Gussteile im Allgemeinen
einer Wärmebehandlung
unterzogen.
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Die
beliebtesten Al-Si-Gusslegierungen (z. B. 319, 356, 390) werden
durch den als Auslagerungshärten
oder Ausscheidungshärten
beschriebenen Mechanismus gefestigt. Das Verfahren besteht üblicherweise aus
drei Schritten; zuerst werden die Legierungselemente bei einer erhöhten Temperatur
zu der festen Aluminiumlösung
gelöst.
Dieser Schritt wird als Lösungsbehandlung
bezeichnet und wird üblicherweise
als von dem Gießverfahren
getrennter Vorgang durchgeführt.
Nach der Erstarrung wird das Gussteil aus der Form entnommen und
dann in einem separaten Ofen angeordnet, um wieder auf eine Temperatur
genau unterhalb des Solidus erwärmt
und bei dieser über
eine Zeitspanne gehalten zu werden, die ausreicht, um Präzipitate
zu lösen und
die α-Aluminiumphase
mit gelösten
Atomen (üblicherweise
Kupfer (Cu) und/oder Magnesium (Mg)) zu sättigen. Darüber hinaus wird das „Lösungsglühen” von einer
gewissen Sphäroidisierung
der unlöslichen
Partikel (wie z. B. Silizium) begleitet werden.
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Anschließend an
das Lösungsglühen wird
das Gussteil während
des zweiten Schrittes des Ausscheidungshärtungsverfahrens, der als „Abschrecken” bezeichnet
wird, schnell abgekühlt.
Das Abschrecken muss schnell genug stattfinden, um eine Diffusion
zu beschränken
und zu verhindern, dass die gelösten
Atome aus der Lösung
ausgeschieden werden. Eine Anforderung an effektive gelöste Elemente
besteht darin, dass die maximale Löslichkeit in Aluminium mit
der Temperatur zunehmen muss, sodass, wenn die Temperatur schnell verringert
wird, das Aluminium mehr als den Gleichgewichtsgehalt an Gelöstem enthalten
wird und „übersättigt” wird.
Der übersättigte Zustand
ist ein Nicht-Gleichgewichtszustand. Da die übersättigte Aluminiumzusammensetzung
mehr als zehnmal weniger gelöste
Atome enthält
als das Präzipitat,
müssen
sich die gelösten
Atome zusammenballen, um Gebiete mit höherer Konzentration an gelösten Stoffen
zu bilden und andere Bereiche mit reduzierter Konzentration an Gelöstern zu
belassen, bevor sich ein Präzipitat
bilden kann.
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Der
dritte Schritt ist der Auslagerungsschritt. Wenn er bei Raumtemperatur
durchgeführt
wird, wird der Auslagerungsschritt als Kaltauslagerung bezeichnet.
Wenn er bei einer erhöhten
Temperatur durchgeführt wird,
ist der Auslagerungsschritt als Warmauslagern bekannt. Die Differenz
zwischen der Gleichgewichtskonzentration an Gelöstem in Lösung bei der Lösungstemperatur
und der Gleichgewichtskonzentration an Gelöstem in Lösung bei der Auslagerungstemperatur
sorgt für
die Antriebskraft für
die Präzipitationsreaktion.
Je niedriger die Auslagerungstemperatur, desto höher ist die Differenz und umso
höher ist
somit die Antriebskraft. Hingegen ist die atomare Beweglichkeit
umso geringer, je niedriger die Temperatur ist.
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Somit
ist die Präzipitationsreaktion
durch den Kompromiss zwischen der zusammensetzungsbedingten Antriebskraft
und der temperaturgesteuerten atomaren Beweglichkeit bestimmt. Eine
gewisse Präzipitation findet
selbst bei Raumtemperatur statt. Bei niedriger Temperatur ist die
zusammensetzungsbedingte Antriebskraft groß, da jedoch die atomare Beweglichkeit
gering ist, ist die Diffusion gelöster Atome langsam und somit ist
die Präzipitationsreaktion
träge.
Bei höheren
Temperaturen ist die atomare Bewegung verstärkt, was die Clusterbildung
schneller macht, aber die zusammensetzungsbedingte Antriebskraft
ist geringer, was eine geringere Menge an gebildetem Präzipitat
zur Folge hat.
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Die
Wahl der Auslagerungstemperatur bei der herkömmlichen Wärmebehandlung ist ein Kompromiss zwischen
der Reaktionsgeschwindigkeit und der Gesamtmenge an gebildetem Präzipitat.
Die Härte
und Festigkeit der Komponente ist stark durch die gebildete Menge
an Präzipitat
gesteuert. Während
des Auslagerns wird das Gussteil wieder auf eine Zwischentemperatur
erwärmt,
um die verstärkenden
Präzipitate
zu nukleieren. Die Präzipitationsreaktion
selbst ist ein mehrstufiger Prozess, der bewirkt, dass die Festigkeit
und Härte des
Gussteiles mit der Zeit und der Temperatur durch einen gewissen
Spitzenhärtewert
hindurch ansteigen und dann wieder abnehmen. Wenn die Auslagerungstemperatur
erhöht
wird, wird die Spitzenhärte
in einer kürzeren
Zeit erhalten, allerdings etwas auf Kosten des Niveaus der Spitzenhärte. Somit
gibt es eine optimale Kombination aus Temperatur und Zeit, die zu
einem optimalen Kompromiss zwischen der Spitzenfestigkeit und den
Verfahrenszeit-Randbedingungen führt.
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Die
Steuerung jedes der obigen Schritte ist von entscheidender Bedeutung,
um die Kombination aus Festigkeit und Duktilität für den speziellen Anwendungseinsatz
zu erzielen. Einige Gussteile werden absichtlich bei höheren Temperaturen
oder über
längere
Zeiten ausgelagert, um einen Zustand nach der Spitzenhärte zu erreichen.
Dieser „überausgelagerte” Zustand
weist eine geringere Zugfestigkeit auf als der Spitzen-Auslagerungszustand,
aber die Erhöhung
der Zugdehnung (Schadentoleranz) und die Stabilität in den
Abmessungen können
in vielen Anwendungen wichtiger sein als die Festigkeit.
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Die
Präzipitationsreaktion
beinhaltet eine durch Diffusion gesteuerte Agglomeration von Atomclustern, um
Zonen zu bilden, die reich an Gelöstem sind. In einem späteren Stadium
scheidet sich eine getrennte Phase aus dieser Zone ab. Diese Clusterbildung
und Präzipitation
bewirken, dass die Festigkeit infolge der Zunahme der lokalen Gitterverzerrung
zunimmt. Noch später
wächst
die Größe der Präzipitate,
bis die gesamte Systemenergie durch die Bildung einer Grenzfläche herabgesetzt
werden kann. An diesem Punkt wird das Partikel eine inkohärente Phase
und die Gitterverzerrung nimmt mit einem einhergehenden Abfall in
der Härte
und Zugfestigkeit deutlich ab. Mit der Präzipitation der Partikelgehen
auch Änderungen
an den physikalischen Abmessungen des Gussteiles mit der Zeit und
bei einer Temperatur einher. Daher wird bei Anwendungen mit kritischen
Abmessungstoleranzen das Gussteil über die Spitzenhärte hinaus
bis zu dem Punkt wärmebehandelt, an
dem der Großteil
der Abmessungsänderung
stattgefunden hat, und wird dann auf die erforderlichen Abmessungen
maschinell bearbeitet.
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Die
herkömmliche
Wärmebehandlung
von Aluminiumgussteilen ist ein energie- und kapitalintensives Verfahren
und kann die an dem Verfahren beteiligten Einrichtungen jederzeit
bis zu zwei Tage oder länger
beanspruchen.
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Der
Präzipitationsprozess
ist durch den Ausgleich der zusammensetzungsbedingten Antriebskraft
mit der atomaren Beweglichkeit angetrieben, da jede durch die Temperatur
in der entgegengesetzten Richtung beeinflusst ist. Wenn die Präzipitate
beginnen, sich zu bilden, nehmen die Härte und die Festigkeit mit
der Zeit und bei einer Temperatur zu und die Duktilität nimmt
ab, da die Gitterverzerrungsenergie zunimmt, die durch die atomare
räumliche
Fehlanpassung zwischen dem Präzipitat
und der Matrix erzeugt wird.
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Wenn
die Präzipitate
wachsen, nimmt die lokale Verzerrung an der Präzipitat-Matrix-Grenzfläche zu, bis
sie ein Maximum erreicht, an dem die Systemenergie verringert werden
kann, indem die Bindungen zwischen dem Präzipitat und der Matrix aufgebrochen
werden und eine Phasengrenze gebildet wird. Wenn mehr Präzipitate
von der Matrix durch diese Grenzen getrennt werden (dekohärent mit
der Matrix), wird die Fehlanpassungsspannung gelöst, wodurch die Härte und
Festigkeit verringert und die Duktilität erhöht wird. Somit wurde allgemein
beobachtet, dass die Härte
und die Festigkeit für
eine gegebene Mikrostruktur reziprok zu der Duktilität variieren.
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Herkömmliche
Wärmebehandlungen
erfordern typischerweise ein Abschrecken auf ungefähr Raumtemperatur
mithilfe einer separaten Abschreckeinrichtung, bevor wieder auf
die Auslagerungstemperatur erwärmt
wird. Tatsächlich
ist es nicht unüblich,
dass einige Zylinderblöcke
einen 24 Stunden langen Halt bei Raumtemperatur erfordern, um eine
durch Restspannungen induzierte Rissbildung vor dem Wiederaufwärmen auf
die Auslagerungstemperatur zu reduzieren. Das Wiederaufwärmen auf die
Auslagerungstemperatur benötigt
eine enorme Energiemenge, um das Aluminiumlegierung-Gussteil von
Raumtemperatur auf die Auslagerungstemperatur zu bringen.
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Es
besteht daher Bedarf an einem Verfahren, welches die Energieverschwendung
in Verbindung mit dem Wiedererwärmen
auf die Auslagerungstemperatur nach einem Raumtemperatur-Abschrecken
eliminiert, und das den Durchsatz durch Beseitigung des Halts der
Raumtemperatur-Abschreckung verbessert. Es besteht ferner Bedarf
an einem Verfahren, welches die Notwendigkeit separater Einrichtungen
zum Abschrecken auf Raumtemperatur eliminiert. Da das Abschrecken
weniger drastisch sein kann und das Temperaturintervall kürzer sein
kann, können
auch die Restspannung und die Tendenz zur Rissbildung wesentlich
reduziert werden.
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Kurzzusammenfassung
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Gemäß der vorliegenden
Offenlegung ist ein Wärmebehandlungsverfahren
für das
direkte Abschrecken von Aluminiumlegierung-Gussteilen präsentiert.
Ein Aluminiumlegierung-Gussteil kann auf die Lösungsglühtemperatur erwärmt werden.
Die Temperatur kann über
eine Zeitspanne beibehalten werden, die ausreicht, um die ausscheidungshärtenden
Elemente in die feste Aluminiumlösung
zu lösen
und jegliche morphologische Veränderungen
an nicht löslichen
Phasen wie z. B. eine Sphäriodisierung
der eutektischen Siliziumphase zu beeinflussen. Nach dem Lösungsglühen kann
das Aluminiumlegierung-Gussteil direkt abgeschreckt werden, indem
das Aluminiumlegierung-Gussteil schnell von der Lösungsglühtemperatur
direkt auf die Auslagerungstemperatur abgekühlt wird, wobei der Halt bei
Raumtemperatur und die Abschreckeinrichtungen eines herkömmlichen
Verfahrens eliminiert sind. Dadurch kann das Verfahren die Prozess schritte
und -einrichtungen verringern, kann den Durchsatz verbessern und
kann etwas Abwärme
eliminieren. Das Verfahren kann die Restspannung verringern und
eine Möglichkeit
bereitstellen, um neue Präzipitate
zu bilden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann das direkte Abschreckverfahren in dem sequenziellen Auslagerungsverfahren
von wärmebehandelten
Aluminiumlegierungen verwendet werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
sind verschiedene Kombinationen von mechanischen Eigenschaften von
wärmebehandelten
Aluminiumlegierungen ermöglicht.
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Es
ist daher ein Merkmal der Ausführungsform
der vorliegenden Offenlegung, mechanische Eigenschaften in wärmebehandelten
Aluminiumlegierungen mit reduzierten/r Kosten, Zyklusdauer, negativen
metallurgischen Konsequenzen eines Aluminiumlegierung-Gussteilverzuges
und Restspannung wie auch einer verringerten Komplexität des Fertigungsverfahrens
zu beschaffen. Weitere Merkmale der Ausführungsformen der vorliegenden
Offenlegung werden im Licht der Beschreibung der hierin enthaltenen
Offenlegung offensichtlich.
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Kurzbeschreibung der verschiedenen
Ansichten der Zeichnungen
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Die
nachfolgende detaillierte Beschreibung spezifischer Ausführungsformen
der vorliegenden Offenlegung sind am besten beim Lesen in Verbindung
mit den nachfolgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Strukturen
mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind und in denen:
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1 einen
Graph veranschaulicht, der ein herkömmliches Verfahren mit einem
direkten Abschreckverfahren gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenlegung vergleicht.
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2 die
experimentellen Ergebnisse für
eine Querwandhärte
für ein
herkömmliches
Abschrecken und ein direktes Abschrecken gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Offenlegung veranschaulicht.
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3 die
Wärmekurven
von Gussteilen veranschaulicht, die in direkten Abschreckverfahren
bei zwei verschiedenen Temperaturen (240°C und 190°C) gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Offenlegung behandelt wurden.
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4 experimentelle
Ergebnisse für
die Zugfestigkeit und Dehnung von Stäben aus einer 319-Legierung
veranschaulicht, die aus den Querwänden von Gussteilabschnitten
herausgeschnitten wurden, welche unter 6 verschiedenen Bedingungen
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenlegung wärmebehandelt
wurden.
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5 experimentelle
Ergebnisse für
die Zugfestigkeit und Dehnung von Stäben aus einer 319-Legierung,
einer 220-Legierung und einer 319 + Mg-Legierung veranschaulicht,
die gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Offenlegung direkt abgeschreckt und wärmebehandelt
wurden.
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6 experimentelle
Ergebnisse für
die Härte
von wärmebehandelten
Stäben
aus A356- und 319-Legierung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenlegung veranschaulicht.
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7 experimentelle
Zugergebnisse für
wärmebehandelte
Stäbe aus
A356- und 319-Legierung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenlegung veranschaulicht.
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8 die
entkoppelte Zugfestigkeit/Härte-Beziehung
für wärmebehandelte
Stäbe aus
A356- und 319-Legierung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenlegung veranschaulicht.
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Detaillierte Beschreibung
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In
der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen
wird auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen, die einen Teil
derselben bilden und in denen beispielhaft und keineswegs einschränkend spezifische
Ausführungsformen
gezeigt sind, in denen die Offenlegung ausgeführt sein kann. Es sollte einzusehen
sein, dass weitere Ausführungsformen
verwendet werden können,
und dass logische, mechanische oder elektrische Änderungen vorgenommen sein
können,
ohne von dem Geist und dem Schutzumfang der vorliegenden Offenlegung
abzuweichen.
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Mit
dem Aufkommen von Öfen
mit einer hohen Wärmeübertragung
zum Wärmebehandeln
von Aluminiumgusslegierungen kann es möglich sein, von der Lösungsglühtemperatur
direkt auf die Auslagerungstemperatur abzukühlen und ausscheidungshärtende Elemente
in Lösung
zu halten, um dadurch die übersättigte Festlösung zu
entwickeln, die zur Präzipitationsverstärkung notwendig
ist. Es kann nun eine bessere Steuerung der Präzipitationsreaktion möglich sein.
Durch Variieren der Abschreckgeschwindigkeit auf die Auslagerungstemperatur
kann die Präzipitationsreaktion
in Stufen stattfinden, um eine Variation der Präzipitationsse quenz zu erzeugen,
und kann zu einer größeren Breite
von Kombinationen aus Festigkeit und Duktilität im Vergleich mit der traditionellen
Lösung-Abschrecken-Auslagern-Sequenz
führen.
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In
dem Wärmebehandlungsverfahren
mit direktem Abschrecken kann ein herkömmlicher Umluftauslagerungsofen
durch einen Ofen mit erhöhter
thermischer Leitfähigkeit
wie z. B. ein Wirbelschicht-Sandbett ersetzt sein, um das direkte
Abschrecken von Aluminiumlegierung-Gussteilen von dem Lösungsofen
zu dem Auslagerungsofen zu ermöglichen,
um dadurch den Zwischenschritt des Abschreckens auf Raumtemperatur zu
eliminieren und damit die hohe Restspannung und Verfahrenseinrichtungen
in Verbindung mit einem herkömmlichen
Abschrecken zu eliminieren.
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Zunächst Bezug
nehmend auf 1 sind einige der markanten
Vorteile des direkten Abschreckens aus dem Vergleich des herkömmlichen
Verfahrenszyklus, das in 1 durch die Strichlinie 10 gezeigt
ist, mit dem neuen direkten Abschreckverfahren, das durch die Volllinie 20 gezeigt
ist, ersichtlich. Die verschiedenen Stufen des Wärmebehandlungsverfahrens für Aluminiumlegierung-Gussteile
sind als horizontale Linien gezeigt. Der Liquidus ist die Temperatur,
bei der die Erstarrung beginnt, und der Solidus ist jene Temperatur,
bei der die Erstarrung abgeschlossen ist. Der Solvus ist jene Temperatur
oberhalb der das Gelöste
vollständig
in Lösung
ist; unterhalb dieser kann die Legierung als zweiphasiges Gemisch
vorliegen. Daher kann eine Lösungsbehandlung
bei einer Temperatur zwischen dem Solidus und dem Solvus durchgeführt werden.
Zwischen 100 und 200°C
können
verschiedene Stufen der Präzipitationsreaktion
auftreten. Diese Temperaturzone ist ein Teil des Auslagerungsregimes.
Für Temperaturen
oberhalb des Solvus können
sich die Präzipitate lösen und
für Temperaturen
unterhalb dieser Linie können
die Präzipitate
wachsen und miteinander verschmelzen.
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In
dem herkömmlichen
dreistufigen Verfahren können
die Aluminiumlegierung-Gussteile im Abschnitt A bis B auf das Gebiet
zwischen den Solidus- und Solvustemperaturen (d. h. zwischen ca.
450°C und
ca. 525°C)
erwärmt
werden, um die Legierungselemente zu lösen und harte Partikel wie
z. B. Silizium zu sphäriodisieren.
Dann werden die Aluminiumlegierung-Gussteile im Abschnitt C schnell
abgekühlt
oder abgeschreckt, um die Legierungselemente in Lösung zu
halten. Um die durch das Abschrecken verursachte Restspannung zu
verringern, können
die Aluminiumlegierung-Gussteil im Abschnitt D über verschiedene Zeiten bei Raumtemperatur
gehalten werden. Dann können
die Aluminiumlegierung-Gussteile warm ausgelagert werden, indem
sie im Abschnitt E wieder auf eine Zwischentemperatur erwärmt werden,
um die Präzipitation
der Stärkungsphasen
zu steuern. Schließlich
können
die Aluminiumlegierung-Gussteile im Abschnitt F auf Raumtemperatur
abkühlen.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
des direkten Abschreckverfahrens kann ein Aluminiumlegierung-Gussteil
auf die Lösungsglühtemperatur
(B) erwärmt
und über
eine Zeitspanne bei der Lösungsglühtemperatur
gehalten werden, die ausreicht, um die ausscheidungshärtenden
Elemente in die feste Aluminiumlösung
zu lösen
und jegliche morphologische Änderungen
an nicht löslichen
Phasen wie z. B. eine Sphäriodisierung
der eutektischen Siliziumphase, falls vorhanden, zu beeinflussen.
Im Allgemeinen kann die Lösungsglühtemperatur
von der Legierung abhängig
sein und kann jede Temperatur zwischen der Solvustemperatur und der
Solidustemperatur sein. Es ist typischerweise umso besser, je höher die
Lösungsglühtemperatur
ist. Ebenso kann die Zeitspanne, über die das Aluminiumlegierung-Gussteil
bei der Lösungsglühtemperatur
gehalten werden kann, von der Legierungszusammensetzung und der
Ausgangsmikrostruktur des Aluminiumlegierung-Gussteiles abhängig sein.
Diese Zeit spanne kann im Bereich zwischen etwa einer halben Stunde
und etwa zwölf
Stunden liegen. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Lösungsglühtemperatur
etwa 495°C
betragen und die Zeitspanne kann ca. vier Stunden betragen.
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In
einer Ausführungsform
kann die Erwärmungsgeschwindigkeit
auf die Lösungstemperatur
einen Einfluss auf die Sphäriodisierungsgeschwindigkeit
ausüben
und kann durch die Aluminiumlegierung-Gussteildicke, die Beschickung
des Ofens und die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit
zwischen Ofen und Aluminiumlegierung-Gussteil variiert sein.
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Nach
dem Lösungsglühen kann
das Aluminiumlegierung-Gussteil direkt auf die Auslagerungstemperatur
abgeschreckt werden. Anders ausgedrückt kann in dem direkten Abschreckverfahren
das Aluminiumlegierung-Gussteil schnell von der Lösungsglühtemperatur
direkt auf die Auslagerungstemperatur abgekühlt werden, wobei der Ausflug
des herkömmlichen
Verfahrens auf Raumtemperatur (F) eliminiert ist. Der kritische Temperaturbereich
kann der Bereich von Temperaturen sein, über den das Aluminiumlegierung-Gussteil
abgeschreckt wird, wobei dennoch die übersättigte feste Lösung erhalten
bleibt. In einer Ausführungsform
kann die Auslagerungstemperatur im Bereich zwischen etwa 100°C und etwa
260°C liegen.
In einer beispielhaften Ausführungsform
kann die Auslagerungstemperatur 190°C betragen. In einer weiteren
beispielhaften Ausführungsform
kann die Auslagerungstemperatur 240°C betragen. Das Aluminiumlegierung-Gussteil
kann ca. eine Stunde lang bis zu etwa zwölf Stunden lang bei der Auslagerungstemperatur
gehalten werden, bevor es auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
Allerdings kann das Aluminiumlegierung-Gussteil für Luftfahrtanwendungen länger als
zwölf Stunden
bei der Auslagerungstemperatur gehalten werden, bevor es auf Raumtemperatur
abgekühlt
wird.
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Die
Eliminierung des Abschreckungsschrittes auf Raumtemperatur zwischen
der Lösungsglühtemperatur
und der Auslagerungstemperatur bringt mehrere Vorteile mit sich:
Verfahren:
- 1) Weniger Verfahrnsschritte und
Einrichtungen. Kein separater Abschreckverfahrensschritt. Das Abschrecken
kann weiterlaufen, wenn das Aluminiumlegierung-Gussteil in dem Auslagerungsofen
angeordnet wird. Der Auslagerungsofen kann ein Prozess mit erhöhter thermischer Übertragung
wie z. B. ein Wirbelschicht-Sandbett, ein Hochtemperaturöl, eine
Salzschmelze oder ein Wärmeträgerfluid
sein.
- 2) Verbesserter Durchsatz. Kein Halt bei Raumtemperatur vor
dem Wiedererwärmen
auf Auslagerungstemperatur. Kein Wiedererwärmen auf Auslagerungstemperatur,
und
- 3) Eliminierung von Abwärme.
Die Wärme,
die von dem herkömmlichen
Verfahren eliminiert werden muss, um das Aluminiumlegierung-Gussteil
auf Raumtemperatur zu bringen, muss wiederum in das Aluminiumlegierung-Gussteil
zurückgeführt werden,
um es in einem herkömmlichen
Verfahren zurück
auf die Auslagerungstemperatur zu bringen.
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Metallurgisch:
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- 1) Verringerte Restspannung. Die Verringerung
der Temperaturdifferenz und eine Reduktion der Abkühlgeschwindigkeit
sind beide wirksam, um die Restspannung zu verringern, was die Wahrscheinlichkeit
von Rissen beim Abschrecken reduzieren kann und das Ermüdungsverhalten
der Komponente verbessern kann und
- 2) Potenzial zur Bildung neuer Präzipitate. Die Präzipitationsreaktion
in einem herkömmlichen
Wärmebehandlungsverfahren
basiert auf dem Abkühlen
auf Raumtemperatur und dem anschließenden Wiedererwärmen. In
dem direkten Abschreckverfahren kann diese Sequenz unterbrochen
werden, um zuzulassen, dass sich die Präzipitate höherer Temperatur zuerst und
nicht zuletzt bilden. Es kann auch das Potenzial vorhanden sein,
die Dauer der Auslagerungsbehandlung zu reduzieren.
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Die
nachfolgenden Beispiele beschreiben Tests und Ergebnisse, um zu
zeigen, dass die Wärmebehandlung
mit direktem Abschrecken möglich
ist.
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Es
sollte angemerkt werden, dass die Eigenschaften des Aluminiumlegierung-Gussteiles
stark von der mikrostrukturellen Grobkörnigkeit im Gusszustand beeinflusst
werden, die in einem großen
Ausmaß durch
die Erstarrungsgeschwindigkeit und das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein
von Fehlstellen wie z. B. einer Porosität gesteuert sein kann. In den
unten stehenden Beispielen wurde angenommen, dass diese beiden Faktoren
konstant gehalten wurden und die Änderungen in den Eigenschaften
nur auf die Auswirkungen der Wärmebehandlung
zurückzuführen waren.
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Beispiel 1:
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Eine
Gruppe von 12 V8-Zylinderblöcken
aus 319-Aluminiumlegierung (zur Zusammensetzung der Legierung siehe
Tabelle 1) wurden kreuzweise durch die Bohrungsmitten in fünf Stücke mit
jeweils einer Dicke von ca. 5 Zoll geschnitten. Die beiden Endstücke eines
jeden Blocks wurden verwor fen, da die Geometrie und die thermische
Vorgeschichte dieser Teile sich wesentlich von den drei übrigen Stücken unterscheiden
können. Tabelle 1: Chemie der 319-Legierung
| Si | Fe | Cu | Mn | Mg |
| 7 | 0,4 | 3,0 | 0,2 | 0,35 |
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Die
sechsunddreißig
Stücke
wurden randomisiert und, jeweils zwei Stücke pro Bedingung, gemäß Tabelle
2 wärmebehandelt. Tabelle 2
| | Lösungsbehandlung
(in Wirbelschicht-Sandb.) | Abschrecken | Auslagerungsbehandl. (in
Wirbelschicht-Sandb.) |
| Gruppe 1:
Abschrecken in Sand | 495°C–4 h | Sand
bei 22°C | 190°C–2, 3 und
5 h |
| 495°C–4 h | Sand
bei 22°C | 240°C–2, 3 und
5 h |
| Gruppe 2:
Abschrecken in Wasser | 495°C–4 h | Wasser
bei 60°C | 190°C–2, 3 und
5 h |
| 495°C–4 h | Wasser
bei 60°C | 240°C–2, 3 und
5 h |
| Gruppe 3:
Direktes Abschrecken | 495°C–4 h | Sand
bei 190°C | 190°C–2, 3 und
5 h |
| 495°C–4 h | Sand
bei 240°C | 240°C–2, 3 und
5 h |
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Nach
der Wärmebehandlung
wurden aus jedem Stück
Proben geschnitten, zwei von den Querwänden, zwei von den inneren
Bolzensockeln und zwei von den äußeren Bolzensockeln.
Die 2 und 3 veranschaulichen die Brinellhärte und
Zugfestigkeit und Dehnung für
jede Gruppe von Wärmebehandlung.
Für jede
Bedingung wurden durchschnittlich vier Tests durchgeführt. 3 zeigt
das Wärmeprofil
in Aluminiumlegierung-Gussteilen,
die mittels direktem Abschrecken behandelt wurden (d. h. Gruppe
3).
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Zuerst
Bezug nehmend auf 2 ist zu sehen, dass in herkömmlichen
Behandlungen (d. h. Gruppen 1 und 2) die Härte mit der Auslagerungszeit
bei 190°C
zunimmt und bei 240°C
abnimmt. Der Effekt der Abschreckgeschwindigkeit (Sand gegen Wasser)
zeigt, dass die schnellere Geschwindigkeit der Wasserabschreckung
eine höhere
Härte bei ähnlicher
Auslagerungsbehandlung zur Folge haben kann (vergleiche 190-Sand mit
190-Wasser). Hingegen
zeigt das direkte Abschreckhärten
eine sehr geringe Änderung
der Härte
mit der Zeit und scheint nur durch die Abschreckgeschwindigkeit-Auslagerungstemperatur
gesteuert zu sein (d. h. Gruppe 3, zwei Datensätze ganz rechts). Der Abschreckgeschwindigkeit-Auslagerungstemperatur-Faktor kann
nicht in die einzelnen Beiträge
der Abschreckgeschwindigkeit und der Auslagerungstemperatur getrennt werden,
da die Auslagerungstemperatur die Abschreckgeschwindigkeit in diesem
Beispiel in hohem Maß bestimmt.
In 3 ist ersichtlich, dass die Abschreckgeschwindigkeitsdifferenzen
sehr klein sind. Es kann jedoch nicht unberücksichtigt gelassen werden,
dass wichtige Reaktionen während
der letzten 37,8°C
(oder 100°F) der
Abschreckung stattfinden können.
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In
Tabelle 3 ist QR1 die Abschreckgeschwindigkeit von der Lösungstemperatur
auf einen Punkt 43,3°C (oder
110°F) von
der Auslagerungstempera tur und QR2 ist die Abschreckgeschwindigkeit
von 43,3°C
(oder 110°F)
auf 10°F
oberhalb der Auslagerungstemperatur (die letzten 10 Grad werden
als vernachlässigbar
erachtet). T2 ist die Zeit zum Abkühlen der letzten 37,8°C (oder 100°F). Tabelle 3. Abschreckgeschwindigkeiten
für 2 Direkt-Abschrecktemperaturen
| Auslagerungs-T. | ΔT | Abschreckdauer | Abschreckgeschwindigkeit | QR1 | QR2 | T2 |
| 190°C | 305°C | 642
s | 0,48°C/s | 1,263 | 0,123 | 452
s |
| 240°C | 255°C | 508
s | 0,51°C/s | 1,262 | 0,156 | 357
s |
| Standardabschr.* | 387°C | 465
s | > 0,833°C/s | | | |
- * Produktionsspezifikation für Abschrecken
auf Raumtemperatur
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Die
Abschreckgeschwindigkeiten in den zwei Beispielen, die in Tabelle
3 gezeigt sind, zeigen, dass das direkte Abschreckverfahren effektiv
sein kann, wenngleich die Abkühlgeschwindigkeit
langsamer ist als bei herkömmlichen
Wärmebehandlungsverfahren
(d. h. ~0,5°C/s
vs. > 0,8°C/s). Eine
langsamere Abschreckgeschwindigkeit kann den Verzug des Aluminiumlegierung-Gussteiles
reduzieren und kann die Restspannung verringern, wobei beides Vorteile
des aktuellen Verfahrens sein können.
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Die
Zugfestigkeit kann durch den Graph in 4 zusammengefasst
werden. Die Reißfestigkeit
kann dem gleichen Muster folgen wie die in 2 gezeigte
Härte.
Allerdings folgt für
direkt abgeschreckte Aluminiumlegierung-Gussteile die Zugdehnung
nicht dem herkömmlichen
Muster einer abnehmenden Dehnung mit zunehmender Festigkeit und
dann einer Zu nahme, wenn die Festigkeit abzufallen beginnt, was
eine komplexere Reaktion anzeigt. Allerdings können die mechanischen Eigenschaften ähnlich sein
wie bei dem herkömmlichen
Verfahren, wie bei Punkt A in dem Graph ersichtlich. Ein zusätzlicher
Nutzen des direkten Abschreckverfahrens besteht darin, dass verschiedene
Kombinationen oder Eigenschaften ermöglicht sein können, wie bei
Punkt B zu sehen. Es können
daher verschiedene Kombinationen von mechanischen Eigenschaften
des Aluminiumlegierung-Gussteiles im Gegensatz zu herkömmlichen
Wärmebehandlungsverfahren
möglich
sein, wie z. B. das Entkoppeln von Zugfestigkeit und Härte.
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Beispiel #2:
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In
Beispiel #2 wurde eine weitere Reihe von Experimenten durchgeführt, um
das Ansprechen verschiedener Vorlegierungskonzentrationen auf das
direkte Abschrecken festzustellen. Es wurde bereits gezeigt, dass
die Auslagerungstemperatur einen bedeutenden Einfluss auf die mit
dem direkten Abschreckverfahren produzierten Eigenschaften ausübt, und
dass die Härte
und die Zugfestigkeit, im Gegensatz zur herkömmlichen dreistufigen Wärmebehandlung
von Aluminiumlegierungen, bis zu einem gewissen Grad an Unabhängigkeit
voneinander variieren. In dieser Reihe wurden drei Legierungen,
eine mit 3,7% Kupfer und ohne Magnesium (319-Legierung), die zweite mit 2,4% Kupfer
und 0,4% Mg (220-Legierung) und eine dritte mit 3,8% Kupfer und
0,2% Mg (319 + Mg-Legierung) verwendet (zur Zusammensetzung der
Legierungen siehe Tabelle 4). Tabelle 4: Legierungschemie
| 319-Legierung | Si | Fe | Cu | Mg | Mn | Sr |
| | | 3,7 | | | |
| 220-Legierung | Si | Fe | Cu | Mg | Ti | |
| | | 2,4 | 0,4 | |
| 319 + Mg-Legierung | Si | Fe | Cu | Mg | | |
| | | 3,8 | 0,2 | | |
-
Jede
Legierung wurde bei etwa 495°C über etwa
fünf Stunden
durch Lösungsglühen wärmebehandelt, gefolgt
von einem schnellen Abkühlen
(Abschrecken) auf die Warmauslagerungstemperatur (1,2°C/s durch den
kritischen Temperaturbereich hindurch). Die Aluminiumlegierung-Gussteile
wurden dann warm ausgelagert, indem sie ca. vier Stunden lang bei
den drei verschiedenen Auslagerungstemperaturen (d. h. 170, 190 und
210°C) gehalten
wurden, gefolgt von einer Luftkühlung
auf Raumtemperatur. Die Härte
und die Zugfestigkeit der drei Aluminiumlegierung-Gussteile für jede Bedingung
wurde gemessen, wie in 5 gezeigt.
-
Unter
Bezugnahme auf 5 zeigen die Legierungen, die
sowohl Kupfer als auch Magnesium enthalten (220 und 319 + Mg), jeweils
eine Abnahme der Härte
und der Zugfestigkeit, wenn die Warmauslagerungstemperatur erhöht wird.
Die Steilheit der Abnahmen ist jedoch verschieden. Die Legierung
mit mehr Magnesium (220) verliert mehr Festigkeit im Vergleich mit
der Härte
der Legierung mit mehr Kupfer bzw. weniger Magnesium (319 + Mg).
Die magnesiumfreie Legierung (319) zeigt hingegen keinen Einfluss
der Auslagerungstemperatur auf die Zugfestigkeit und den entgegengesetzten
Trend in Bezug auf die Härte
im Vergleich mit den Mg-haltigen Legierungen (220 und 319 + Mg).
-
Es
stellt sich somit heraus, dass eine weitere Entkopplung der Härte von
der Zugfestigkeit durch die interaktive Beeinflussung der Legierungszusammensetzung
und die Parameter der Wärmebehandlung
mit direktem Abschrecken gewonnen werden kann.
-
Darüber hinaus
kann das Wärmebehandlungsverfahren
mit direktem Abschrecken mit der sequenziellen Auslagerung von Aluminium-Siliziumgusslegierungen
verwendet werden, wie in der anhängigen
US-Patentanmeldung Nr. 12/136 257, eingereicht am 10. Juni 2008,
offenbart, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen
ist.
-
Beispiel #3 (Zweitemperatur-Auslagerungsverfahren
oder Sequenzielles Auslagern):
-
In
dieser Reihe von Experimenten wurde der Einfluss des Abschreckens
und der Abschreckgeschwindigkeit zwischen Wärmebehandlungen in einer Doppelauslagerungs-Wärmebehandlung
ermittelt. Die herkömmliche
Wärmebehandlung
mit sequenzieller Auslagerung umfasst die Schritte:
- 1. Lösungsbehandlung,
- 2. Abschrecken auf Raumtemperatur,
- 3. Wiedererwärmen
auf die erste Auslagerungsbehandlung,
- 4. Halt,
- 5. Ankühlen
auf Raumtemperatur,
- 6. Erwärmen
auf zweite Auslagerungstemperatur
- 7. Halt und
- 8. Abkühlen
auf Raumtemperatur.
-
Das
Abkühlen
zwischen den Auslagerungsbehandlungen wurde gemäß Tabelle 6 variiert. Die Gruppe 1
wurde dem direkten Abschreckverfahren unterzogen, wobei im Wesentlichen
die Schritte 2 und 3 des oben beschriebenen herkömmlichen Verfahrens kombiniert
wurden. Gittergussteile im Gusszustand wurden mit einem kleinen
Stahlkühleisen
hergestellt, was zu einer Mikrostruktur mit einer Dendritzellengröße von etwa 30–40 μ führte. Einzelne
Stababschnitte von 0,75 Zoll × 1,25
Zoll × 4
Zoll wurden wie folgt wärmebehandelt (drei
pro Bedingung). Die A356-Stäbe
(zur Zusammensetzung dieser Legierung siehe Tabelle 5) wurden bei 538°C 5 Stunden
lang in einem Wirbelschicht-Sandbett lösungsbehandelt und dann in
Wasser bei 60°C
abgeschreckt. Die 319-Stäbe
(zur Zusammensetzung dieser Legierung siehe Tabelle 5) wurden bei
495°C 5
Stunden lang lösungsbehandelt
und dann in Wasser bei 60°C
abgeschreckt. Zwischen der Lösungsbehandlung und
der Auslagerung wurden alle Stäbe
in einem Gefrierschrank bei –17°C gelagert. Tabelle 5: Legierungschemie für die sequenzielle
Auslagerung
| 319-Legierung | Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Sr |
| 6,5 | 0,39 | 3,8 | 0,57 | 0,2 | 0,012 |
| A356-Legierung | Si | Fe | Cu | Mg | Ti | |
| 7 | 0,1 | 0,01 | 0,34 | 0,14 |
-
Alle
Prüfstäbe wurden
auf die Brinellhärte
getestet und dann maschinell bearbeitet und bei Raumtemperatur auf
die Zugfestigkeit getestet. Tabelle 6
| | T
Ausl. 1 | t
Ausl. 1 | Q | KA | T
Ausl. 2 | t
Ausl. 2 | Q |
| Gruppe
1 | 249C | 67
min | 182C Sand | 0 | 182C | 6
h | Luftkühl. |
| Gruppe
2 | 249C | 67
min | 32C
Wasser | 1
h | 182C | 6
h | Luftkühl. |
| Gruppe
3 | 249C | 67
min | 32C
Wasser | 24
h | 182C | 6
h | Luftkühl. |
| Gruppe
4 | 249C | 67
min | Luftkühlung | 1
h | 182C | 6
h | Luftkühl. |
| Gruppe
5 | 249C | 67
min | Luftkühlung | 24
h | 182C | 6
h | Luftkühl. |
| Gruppe
6 | 249C | 67
min | Luftkühlung | 1
h | 182C | 6
h | 32C
Wasser |
| Gruppe
7 | 249C | 67
min | Luftkühlung | 24
h | 182C | 6
h | 32C
Wasser |
| T6 | 193C | 8
h | Luftkühlung | | | | |
| T7 | 227C | 8
h | Luftkühlung | | | | |
| Gusszust. | Keine W.-Behandl. | | | | | |
- Q – Kühlmedium
- KA – Kaltauslagerung
bei Raumtemperatur
- t – Zeit,
für die
die Stäbe
im Ofen waren
- T – Temperatur
des Sandes
-
Die
Bedeutung der in den 6 und 7 angegebenen
Daten für
das direkte Abschrecken ist aus dem Vergleich der ersten Spalte
(Direktes Abschrecken) mit den folgenden sechs Spalten ersichtlich.
Alle Prüfstäbe erfuhren ähnliche
Wärmebehandlungen
und es ist zu erkennen, dass durch vollständiges Abkühlen auf Raumtemperatur zwischen
den Auslagerungsbehandlungen kein zusätzlicher Vorteil für die sequenzielle
Auslagerungsbehandlung gewonnen werden kann. Der Gusszustand und
die traditionellen Wärmebehandlungen T6
und T7 sind nur als Referenz gezeigt.
-
Das
direkte Abschrecken kann bei verschiedenen Schritten des sequenziellen
Auslagerungsverfahrens eingesetzt werden. Zum Beispiel kann das
Aluminiumlegierung-Gussteil in einer beispielhaften Ausführungsform
lösungswärmebehandelt
werden, um die Legierungselemente zu lösen. Das Aluminiumlegierung-Gussteil
kann dann direkt auf die Nukleationstemperatur abgeschreckt werden.
In einer beispielhaften Ausführungsform
kann die Nukleationstemperatur ca. 250°C betragen. Das Aluminiumlegierung-Gussteil
kann über
eine Zeit bei der Nukleationstemperatur erhalten oder gehalten werden,
die ausreicht, um eine Nukleation im gesamten Aluminiumlegierung-Gussteil
zu induzieren. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Zeitspanne,
die ausreicht, ungefähr
eine Stunde betragen. Nach dieser Zeitspanne kann das Aluminiumlegierung-Gussteil direkt auf
die Auslagerungstemperatur abgeschreckt werden, um Präzipitate
in dem Aluminiumlegierung-Gussteil wachsen zu lassen. In einer beispielhaften
Ausführungsform
kann die Auslagerungstemperatur im Bereich zwischen ca. 100°C und ca.
220°C liegen
und das Aluminiumlegierung-Gussteil kann ungefähr sechs Stunden lang bei der
Auslagerungstemperatur gehalten werden. Zuletzt kann das Aluminiumlegierung-Gussteil auf Raumtemperatur
abgekühlt
werden.
-
In
einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann das Aluminiumlegierung-Gussteil
lösungswärmebehandelt
werden, um die Legierungselemente zu lösen. Das Aluminiumlegierung-Gussteil
kann dann direkt auf die Nukleationstemperatur abgeschreckt werden
und kann über
eine Zeit bei der Nukleationstemperatur erhalten und gehalten werden,
die ausreicht, um eine Nukleation im gesamten Aluminiumlegierung-Gussteil
zu induzieren. Nach dieser Zeitspanne kann das Aluminiumlegierung-Gussteil
auf Raumtemperatur abgekühlt
werden. Nach einer festgelegten Zeitspanne kann das Aluminiumlegierung-Gussteil
wieder auf eine Auslagerungstemperatur erwärmt werden, um Präzipitate
als eine getrennte Phase in dem Aluminiumlegierung-Gussteil wachsen
zu lassen. Zuletzt kann das Aluminiumlegierung-Gussteil auf Raumtemperatur
abgekühlt
werden.
-
In
einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform kann das Aluminiumlegierung-Gussteil
lösungswärmebehandelt
werden, um die Legierungselemente zu lösen. Das Aluminiumlegierung-Gussteil
kann dann auf Raumtemperatur abgeschreckt werden. Das Aluminiumlegierung-Gussteil
kann dann wieder auf eine Nukleationstemperatur erwärmt werden
und über
eine Zeit bei der Nukleationstemperatur erhalten werden, die ausreicht,
um eine Nukleation im gesamten Aluminiumlegierung-Gussteil zu induzieren.
Dann kann das Aluminiumlegierung-Gussteil direkt auf eine Auslagerungstemperatur
abgeschreckt werden, um Präzipitate
als eine getrennte Phase in dem Aluminiumlegierung-Gussteil wachsen
zu lassen. Zuletzt kann das Aluminiumlegierung-Gussteil auf Raumtemperatur
abgekühlt
werden.
-
Die
Verbesserung der Kombination aus dem direkten Abschreckverfahren
und dem sequenziellen Auslagerungsverfahren gegenüber dem
herkömmlichen
sequenziellen Auslagerungsverfahren besteht hauptsächlich in
der Verfahrensvereinfachung, einer Durchsatzerhöhung und Kostenreduktion.
-
Direkte
Abschreck- und sequenzielle Auslagerungsverfahren können auch
die herkömmliche
Beziehung zwischen der Zugfestigkeit und der Härte entkoppeln, wie in 8 für die 356/319-Legierungen
bei verschiedenen Wärmebehandlungen
ersichtlich.
-
Fasst
man die beispielhaften Ausführungsformen
des direkten Abschreckverfahrens zusammen, so kann das Verfahren
zur Wärmebehandlung
von Aluminiumlegierungen verwendet werden, die eine Verstärkungsreaktion
infolge der Präzipitation
von Erstarrungsphasen aus eine übersättigten
festen Lösung
erfahren. Die Wahl der Abkühlgeschwindigkeit
und der Auslagerungstemperatur können
einen großen
Einfluss auf die erzielten Eigenschaften haben. Überdies kann das direkte Abschrecken
genutzt werden, um die Zahl der Verfahrensschritte zu reduzieren,
die erforderlich sind, um sich die Kombination von Eigenschaften,
die aus der Verwendung des sequenziellen Auslagerungs-Wärmebehandlungverfahrens
resultieren, zunutze zu machen.
-
Es
wird darauf hingewiesen, dass Ausdrücke wie „vorzugsweise”, „allgemein” und „typischerweise” hierin
nicht verwendet werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Offenlegung
einzuschränken,
oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale kritisch, wesentlich
oder auch wichtig für
die Struktur oder Funktion der beanspruchten Offenlegung sind. Vielmehr
sollen diese Ausdrücke
nur alternative oder zusätzliche
Merkmale hervorheben, die in einer speziellen Ausführungsform
der vorliegenden Offenlegung verwendet werden können oder nicht.
-
Es
wird darauf hingewiesen, dass um die vorliegende Erfindung hierin
zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „im Wesentlichen” hierin
verwendet wird, um den natürlichen
Grad von Unsicherheit darzustellen, der einem/r beliebigen quantitativen
Vergleich, Wert, Messung oder ande ren Darstellung zugeordnet werden
kann. Der Ausdruck „im
Wesentlichen” wird
hierin auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative
Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne
dass dies zu einer Änderung
in der grundlegenden Funktion des betrachteten Gegenstandes führt.
-
Nach
der Beschreibung der Offenlegung im Detail und durch Bezugnahme
auf spezielle Ausführungsformen
derselben wird einzusehen sein, dass Abwandlungen und Varianten
möglich
sind, ohne von dem Schutzumfang der Offenlegung abzuweichen, der
in den beiliegenden Ansprüchen
definiert ist. Im Spezielleren, wenngleich einige Aspekte der vorliegenden
Offenlegung hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet
sind, wird in Erwägung
gezogen, dass die vorliegende Offenlegung nicht unbedingt auf diese
bevorzugten Aspekte der Offenlegung beschränkt ist.