DE102018110402A1 - METHOD FOR INCREASING THE TENSILE STRENGTH OF ALUMINUM CASTORS - Google Patents

METHOD FOR INCREASING THE TENSILE STRENGTH OF ALUMINUM CASTORS Download PDF

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Abstract

Ein mehrstufiges Verfahren erhöht die Nettozugfestigkeit von AluminiumDruckgussteilen (HPDC) durch eine legierungs- und prozessabhängige Wärmebehandlung. Die höchste erreichbare Temperatur zur Lösungsbehandlung eines HPDC-Gusses wird durch die rechnerische Thermodynamik, Kinetik und die Gasgesetze basierend auf der Legierungszusammensetzung und dem Gasdruck in den letztendlich erstarrten Teilen bestimmt. Das Festlegen der maximalen Lösungstemperatur beinhaltet die Zuordnung des Drucks in den Blasen des erstarrten Materials, um die Bildung von Blasen durch oberflächennahe Blasen im Gussteil zu vermeiden. Um die Restzugfestigkeit zu reduzieren, werden die HPDC-Bauteile nach der Lösungsbehandlung luftgekühlt. Abschließend wird ein spezifischer, wiederholter Temperaturalterungszyklus zur Verbesserung des Alterungsverhaltens von luftgekühlten HPDC-Bauteilen und Erhöhen der Nettozugfestigkeit eingesetzt.

Figure DE102018110402A1_0000
A multi-step process increases the net tensile strength of aluminum die castings (HPDC) through an alloy and process dependent heat treatment. The highest achievable temperature for solution treatment of an HPDC casting is determined by computational thermodynamics, kinetics, and gas laws based on alloy composition and gas pressure in the finally solidified parts. Setting the maximum solution temperature involves assigning the pressure in the bubbles of the solidified material to avoid the formation of bubbles by near-surface bubbles in the casting. In order to reduce the residual tensile strength, the HPDC components are air-cooled after the solution treatment. Finally, a specific, repeated temperature aging cycle is used to improve the aging behavior of HPDC air-cooled components and increase net tensile strength.
Figure DE102018110402A1_0000

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf den Aluminiumdruckguss und insbesondere auf ein Verfahren zum Erhöhen der Zugfestigkeit von Aluminiumlegierungsdruckgussteilen.The present disclosure relates to aluminum die casting, and more particularly to a method of increasing the tensile strength of aluminum alloy die cast parts.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Die Erklärungen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformationen bereit, die die vorliegende Offenbarung betreffen und dem bisherigen Stand der Technik entsprechen können oder auch nicht.The explanations in this section merely provide background information that may or may not be related to the present disclosure and may be consistent with the prior art.

Das Hochdruckguss-(HPDC)-Verfahren wird zur Massenfertigung von Metallkomponenten aufgrund geringer Kosten, enger Maßtoleranzen, d. h. der endkonturnahen Form und glatten Oberflächenbeschaffenheiten verwendet. Hersteller in der Automobilindustrie sind zunehmend gefordert, mit dem Druckgussverfahren endkonturierte Aluminiumbauteile mit einer Kombination aus hoher Zugfestigkeit und Duktilität herzustellen, da dieses Verfahren das wirtschaftlichste Verfahren zur Massenfertigung ist. Ein Nachteil des herkömmlichen HPDC-Verfahrens besteht darin, dass die so hergestellten Teile bei hohen Temperaturen (z. B. 500°C) nicht lösungsgeeignet (T4) sind, was das Potenzial der Ausscheidungshärtung durch eine vollständige T6- oder T7-Wärmebehandlung deutlich reduziert.The high pressure casting (HPDC) process is used for mass production of metal components due to low cost, tight dimensional tolerances, i. H. the near-net shape and smooth surface textures used. Manufacturers in the automotive industry are increasingly challenged to produce final contoured aluminum components with a combination of high tensile strength and ductility by the die casting process, as this process is the most economical method of mass production. A disadvantage of the conventional HPDC process is that the parts thus produced are not solvent-suitable (T4) at high temperatures (eg 500 ° C.), which significantly reduces the precipitation hardening potential of a complete T6 or T7 heat treatment ,

Dies liegt an der hohen Porositätsmenge und Hohlräumen in den fertigen HPDC-Komponenten aufgrund des Schrumpfes während der Verfestigung und insbesondere der eingeschlossenen Gase während der Formfüllung, wie etwa Luft, Wasserstoff oder Dämpfen, die aus der Zersetzung der Matrizenwandschmierstoffe gebildet wurden. Es ist praktisch unmöglich, eine herkömmliche HPDC-Komponente ohne große, mitgeführte Gasblasen zu finden. Die inneren Poren, die Gase oder gasbildende Komponenten in den Druckgussteilen enthalten, dehnen sich während einer herkömmlichen Lösungsbehandlung bei erhöhten Temperaturen aus, was zur Bildung von Oberflächenblasen führt. Das Vorliegen dieser Blasen beeinflusst nicht nur das Erscheinungsbild der Gussteile, sondern auch die Abmessungsstabilität und insbesondere die mechanischen Eigenschaften der Komponenten.This is due to the high porosity and voids in the finished HPDC components due to shrinkage during solidification, and particularly the trapped gases during mold filling, such as air, hydrogen or vapors formed from the decomposition of the matrix wall lubricants. It is virtually impossible to find a conventional HPDC component without large entrained gas bubbles. The internal pores containing gases or gas-forming components in the die cast parts expand during conventional solution treatment at elevated temperatures, resulting in the formation of surface bubbles. The presence of these bubbles affects not only the appearance of the castings, but also the dimensional stability and especially the mechanical properties of the components.

Aufgrund des potenziellen Blasenproblems werden herkömmliche HPDC-Aluminiumkomponenten meist im Gusszustand- /oder in geringerem Maße in gealterten Bedingungen, wie etwa T5, eingesetzt. Sogar bei der T5-Aushärtung ist die Zunahme der Streckgrenze sehr begrenzt und manchmal gibt es keine Verbesserung, da die Konzentrationen der härtenden gelösten Stoffe für die künstliche Aushärtung (T5) in typischen HPDC-Teilen sehr stark sind. Infolgedessen sind die mechanischen Eigenschaften der HPDC-Aluminiumteile im Vergleich zu anderen Gießverfahren üblicherweise für eine gegebene Aluminiumlegierung niedrig, da die Aluminiumteile, die durch andere Gießverfahren hergestellt werden, in vollen T6- oder T7-Bedingungen wärmebehandelt werden können.Because of the potential blistering problem, conventional HPDC aluminum components are mostly used in the as-cast state, or to a lesser extent, in aged conditions such as T5. Even in T5 cure, the yield strength increase is very limited, and sometimes there is no improvement, since the levels of hardening solutes for artificial cure (T5) in typical HPDC parts are very strong. As a result, the mechanical properties of the HPDC aluminum parts are typically low for a given aluminum alloy compared to other casting methods because the aluminum parts made by other casting methods can be heat treated in full T6 or T7 conditions.

Bei der T5-Aushärtung gibt es im Allgemeinen drei Arten von Alterungsbedingungen, die üblicherweise als Unteralterung, Peak-Alterung und Überalterung bezeichnet werden. Im Anfangsstadium der Alterung bilden sich GP-Zonen und feine scherbare Ausscheidungen, wobei die Struktur als unteraltert betrachtet wird. In diesem Stadium sind die Materialhärte und Streckgrenze im Allgemeinen niedrig. Eine längere Zeit bei einer vorgegebenen Temperatur oder eine Härtung bei einer höheren Temperatur entwickelt die Ausscheidungsstruktur weiter und die Härte und Streckgrenze erhöht sich auf ein Maximum zur Erreichung des Peak-Alterungs-/Härtezustands. Bei einer weiteren Alterung nimmt die Härte/ Streckgrenze ab und die Struktur überaltert infolge einer Vergröberung der Ausscheidung und der damit verbundenen Transformation zur kristallografischen Inkohärenz.In T5 curing, there are generally three types of aging conditions, commonly referred to as under age, peak aging and overaging. In the initial stage of aging, GP zones and fine shearable precipitates form, the structure being considered as underdeveloped. At this stage, the material hardness and yield strength are generally low. A longer time at a given temperature or curing at a higher temperature, the precipitate structure further develops and the hardness and yield strength increases to a maximum to reach the peak aging / curing state. Upon further aging, the hardness / yield strength decreases and the structure becomes more than crystallographic incoherence due to coarsening of the precipitate and the associated transformation.

Wenn man bedenkt, dass typische HPDC-Aluminiumbauteile zwangsläufig eingeschlossene Luft enthalten, muss jede Lösungsbehandlung spezifisch auf die Qualität des Gussteils, d. h. die Menge der eingeschlossenen Luft und die verwendete Legierung, abgestimmt sein. Eine anschließende künstliche Alterung (T5) ist ebenfalls ein kritischer Schritt, um die gewünschten Zugfestigkeitseigenschaften ohne Blasenprobleme zu erreichen. Die Festigkeitserhöhung infolge der Aushärtung tritt auf, da die Stoffe, die in der übersättigten festen Lösung vorliegen, Ausscheidungen bilden, die in den Körnern fein verteilt sind und die die Fähigkeit des Gussstücks erhöhen, um einer Verformung durch Schlupf und Plastikströmung zu widerstehen. Eine maximale Härtung oder Festigkeitserhöhung kann auftreten, wenn die Aushärtungsbehandlung zur Bildung einer kritischen Dispersion von mindestens einer Art dieser feinen Ausscheidungen führt.Considering that typical HPDC aluminum components inevitably contain trapped air, each solution treatment must be specific to the quality of the casting, ie. H. the amount of trapped air and alloy used. Subsequent artificial aging (T5) is also a critical step to achieve the desired tensile properties without blistering problems. The increase in strength due to the curing occurs because the substances present in the supersaturated solid solution form precipitates which are finely distributed in the grains and which increase the ability of the casting to resist deformation by slippage and plastic flow. Maximum cure or strength enhancement may occur when the cure treatment results in the formation of a critical dispersion of at least one kind of these fine precipitates.

Nicht zuletzt gibt es bei gegossenen HPDC-Bauteilen eine erhebliche Eigenspannung, insbesondere wenn die Teile nach dem Auswerfen aus der Form bei Raumtemperatur in Wasser abgeschreckt werden. Eine hohe Eigenspannung reduziert die Materialnetzfestigkeit bei der Strukturbelastung. Last but not least, there is considerable residual stress on cast HPDC components, especially if the parts are quenched in water after being ejected from the mold at room temperature. A high internal stress reduces the material web strength during structural loading.

KURZDARSTELLUNGSUMMARY

Die vorliegende Erfindung bietet ein mehrstufiges Verfahren zum Erhöhen der Nettozugfestigkeit von HPDC-Aluminiumbauteilen durch eine legierungs- und prozessabhängige Wärmebehandlung. Die höchste erreichbare Temperatur zur Lösungsbehandlung eines HPDC-Gusses wird durch die rechnerische Thermodynamik, Kinetik und die Gasgesetze basierend auf der Legierungszusammensetzung und dem Gasdruck in den letztendlich erstarrten Teilen bestimmt. Das Festlegen der maximalen Lösungstemperatur beinhaltet die Zuordnung des Drucks in den Blasen des erstarrten Materials, um die Bildung von Blasen durch oberflächennahe Blasen im Gussteil zu vermeiden. Um die Restzugfestigkeit zu reduzieren, werden die HPDC-Bauteile nach der Lösungsbehandlung luftgekühlt. Ein spezifischer, wiederholter Temperaturalterungszyklus wird zur Verbesserung des Alterungsverhaltens von luftgekühlten HPDC-Bauteilen und zum Erhöhen der Nettozugfestigkeit eingesetzt.The present invention provides a multi-step process for increasing the net tensile strength of HPDC aluminum components through an alloy and process dependent heat treatment. The highest achievable temperature for solution treatment of an HPDC casting is determined by computational thermodynamics, kinetics, and gas laws based on alloy composition and gas pressure in the finally solidified parts. Setting the maximum solution temperature involves assigning the pressure in the bubbles of the solidified material to avoid the formation of bubbles by near-surface bubbles in the casting. In order to reduce the residual tensile strength, the HPDC components are air-cooled after the solution treatment. A specific, repeated temperature aging cycle is used to improve the aging behavior of HPDC air-cooled components and to increase net tensile strength.

Insofern ist ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung ein Verfahren zum Erhöhen der Nettozugfestigkeit von HPDC-Aluminiumbauteilen.As such, one aspect of the present disclosure is a method of increasing the net tensile strength of HPDC aluminum components.

Insofern ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung ein mehrstufiges Verfahren zum Erhöhen der Nettozugfestigkeit von HPDC-Aluminiumbauteilen.As such, another aspect of the present disclosure is a multi-stage process for increasing the net tensile strength of HPDC aluminum components.

Insofern ist noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung ein mehrstufiges Verfahren zum Erhöhen der Nettozugfestigkeit von HPDC-Aluminiumbauteilen durch eine legierungs- und prozessabhängige Wärmebehandlung.As such, yet another aspect of the present disclosure is a multi-stage process for increasing the net tensile strength of HPDC aluminum components through an alloy and process dependent heat treatment.

Es ist noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren zum Erhöhen der Nettozugfestigkeit von HPDC-Aluminiumbauteilen vorzusehen, inklusive dem Schritt zum Festlegen der höchstmöglichen Temperatur für die Lösungsbehandlung eines HPDC-Gusses.It is still another aspect of the present disclosure to provide a method of increasing the net tensile strength of HPDC aluminum components, including the step of setting the highest possible temperature for solution treatment of an HPDC casting.

Es ist noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren zum Erhöhen der Nettozugfestigkeit von HPDC-Aluminiumbauteilen vorzusehen, inklusive dem Schritt zur Luftkühlung des Bauteils nach der Lösungsbehandlung.It is still another aspect of the present disclosure to provide a method of increasing the net tensile strength of HPDC aluminum components, including the step of air cooling the component after solution treatment.

Es ist noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren zum Erhöhen der Nettozugfestigkeit von HPDC-Aluminiumbauteilen vorzusehen, inklusive einen spezifischen Alterungszyklus zu nutzen, um das Alterungsverhalten zu verbessern und die Nettozugfestigkeit zu maximieren.It is still another aspect of the present disclosure to provide a method of increasing the net tensile strength of HPDC aluminum components, including utilizing a specific aging cycle, to improve aging behavior and to maximize net tensile strength.

Weitere Ziele, Vorteile und Anwendungsgebiete werden aus der hierin vorgestellten Beschreibung offensichtlich. Es ist zu beachten, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht dazu beabsichtigt sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu begrenzen.Other objects, advantages and applications will become apparent from the description presented herein. It should be understood that the description and specific examples are intended for purposes of illustration only and are not intended to limit the scope of the present disclosure.

Figurenlistelist of figures

Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.

  • 1 ist ein Phasendiagramm einer A380-Aluminiumlegierung entsprechend dem Cu-Gehalt;
  • 2 ist eine Reihenfolge von drei Ansichten, in denen die Entwicklung eines Teils eines HPDC-Gusses von der Verfestigung über die Raumtemperatur bis zu einer erhöhten Temperatur dargestellt wird;
  • 3 ist ein Diagramm mit drei Kurven, welche die Partikelgröße auf der Ordinatenachse (Y) und die Lösungsbehandlungszeit auf der Abszissenachse (X) darstellen;
  • 4 ist ein Diagramm mit mehreren Kurven, welche die Eigenspannung auf der Ordinatenachse (Y) und mehrere luft- und wassergekühlte Aluminiumkomponenten auf der Abszissenachse (X) darstellen;
  • 5 ist ein Diagramm mit mehreren Kurven, welche die Streckgrenze auf der Ordinatenachse (Y) und mehrere Alterungsbehandlungen auf der Abszissenachse (X) darstellen;
  • 6 ist ein qualitatives Diagramm des nicht-isothermen Alterungszyklus gemäß der vorliegenden Offenbarung zum Erhöhen der Festigkeit eines luftgekühlten HPDC-Aluminiumgusses mit der Temperatur auf der Ordinatenachse (Y) und der Zeit auf der Abszissenachse (X); und
  • 7 ist der mehrstufige Alterungszyklus gemäß der vorliegenden Offenbarung, der die Eigenspannungen beim Aluminiumguss von unterschiedlichen Werkstoffen mit der Temperatur auf der Ordinatenachse (Y) und der Zeit auf der Abszissenachse (X) reduziert.
The drawings described herein are for illustration only and are not intended to limit the scope of the present disclosure in any way.
  • 1 is a phase diagram of an A380 aluminum alloy according to the Cu content;
  • 2 Figure 3 is a sequence of three views illustrating the evolution of a portion of an HPDC casting from solidification to room temperature to elevated temperature;
  • 3 Fig. 13 is a graph with three curves representing the particle size on the ordinate axis (Y) and the solution treatment time on the abscissa axis (X);
  • 4 Fig. 12 is a graph showing a plurality of curves showing the residual stress on the ordinate axis (Y) and a plurality of air and water cooled aluminum components on the abscissa axis (X);
  • 5 Fig. 12 is a graph with several curves showing the yield strength on the ordinate axis (Y) and several aging treatments on the abscissa axis (X);
  • 6 FIG. 12 is a qualitative diagram of the non-isothermal aging cycle according to the present disclosure for increasing the strength of an air-cooled HPDC cast aluminum having the temperature on the ordinate axis (Y) and the time on the abscissa axis (X); FIG. and
  • 7 is the multi-stage aging cycle according to the present disclosure which reduces the residual stresses in aluminum casting of different materials with the temperature on the ordinate axis (Y) and the time on the abscissa axis (X).

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Die folgende Beschreibung ist ihrer Art nach lediglich exemplarisch und beabsichtigt nicht, die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendungen zu begrenzen.The following description is merely exemplary in nature and is not intended to limit the present disclosure, application, or uses.

Mit Bezug auf 1 wird nun ein erster Teil und Schritt des Verfahrens oder Prozesses bezogen auf das Bestimmen der Lösungsbehandlungs-(Auflösungs)-Temperatur (TST). Bei der Lösungsbehandlung erhöht sich die Auflösungsrate mit der Temperatur. Je höher die Lösungsbehandlungstemperatur ist, desto schneller erfolgt die Elementauflösung und Sphäroidisierung der ungelösten Bestandteile sowie die Homogenisierung der gelösten Konzentrationen im Metall oder in der Legierung. In der Praxis kann die Temperatur der Lösungsbehandlung jedoch nicht höher sein als eine kritische Temperatur, oberhalb derer eine Blasenbildung und ein Schmelzen auftritt.Regarding 1 Now, a first part and step of the method or process related to determining the solution treatment (dissolution) temperature (T ST ) will be discussed. In solution treatment, the dissolution rate increases with temperature. The higher the solution treatment temperature, the faster the element dissolution and spheroidization of the undissolved constituents as well as the homogenization of the dissolved concentrations in the metal or in the alloy. In practice, however, the temperature of the solution treatment may not be higher than a critical temperature above which blistering and melting occur.

Die Schmelztemperatur des Metalls oder der Legierung wird durch die Zusammensetzung der Legierung und insbesondere durch ihre thermodynamischen Eigenschaften wie Solidus bestimmt. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff Solidus auf eine Linie oder Kurve auf einem Diagramm der Temperatur gegenüber der Zusammensetzung einer Legierung, unterhalb derer die Legierung vollständig verfestigt wird. Bei der Lösungsbehandlung darf die Auflösungstemperatur den Solidus aller Phasen im Gefüge der Legierung nicht überschreiten. Die schwere, durchgezogene Linie 10 im Phasendiagramm, die als 1 erscheint, verdeutlicht die Variation des Solidus abhängig vom Cu-Gehalt in einer Aluminium-Druckgusslegierung, wie beispielsweise der A380-Legierung. Die Lösungsbehandlungstemperatur darf beispielsweise für eine Legierung, die zwischen 3 und 4% Cu enthält, etwa 490°C nicht überschreiten.The melting temperature of the metal or alloy is determined by the composition of the alloy and in particular by its thermodynamic properties such as solidus. As used herein, the term solidus refers to a line or curve on a graph of temperature versus the composition of an alloy below which the alloy is completely solidified. In the solution treatment, the dissolution temperature must not exceed the solidus of all phases in the structure of the alloy. The heavy, solid line 10 in the phase diagram, as 1 appears, illustrates the variation of the solidus depending on the Cu content in an aluminum die-casting alloy, such as the A380 alloy. For example, the solution treatment temperature for an alloy containing between 3 and 4% Cu may not exceed about 490 ° C.

Das Aussehen der Blasen wird durch das Gleichgewicht zwischen Druck in den Luftblasen und der Festigkeit der Legierung bei einer vorgegebenen Temperatur bestimmt. Im Allgemeinen wird die Schwere der Blasenbildung mit zunehmender Temperatur deutlich erhöht, da sowohl der Druck in den Luftblasen ansteigt als auch die Legierungsfestigkeit mit der Temperatur drastisch abnimmt.The appearance of the bubbles is determined by the balance between pressure in the air bubbles and the strength of the alloy at a given temperature. In general, the severity of blistering is significantly increased with increasing temperature as both the pressure in the air bubbles increases and the alloy strength decreases drastically with temperature.

Unter Bezugnahme auf 2 wird die Entwicklung der eingeschlossenen Luftblasen, eine davon ist in 2 dargestellt, von der Verfestigung unter Druck während des Druckgießprozesses, bezeichnet als 20A, über die Abkühlung bei Raumtemperatur (RT), bezeichnet als 20B, bis zur Blasenbildung bei einer erhöhten Temperatur (ET), bezeichnet als 20C, dargestellt. Grundsätzlich entspricht der Gasdruck in den Blasen 20A, 20B und 20C und das Volumen der Blasen den kombinierten Gasgesetzen bei den verschiedenen Temperaturen. Das tatsächliche Volumen der Blasen 20A, 20B und 20C wird entweder durch die Streckgrenze der Legierung, den extern angelegten Druck oder beides ausgeglichen. Die nachfolgende Gleichung beschreibt diese Aktivität: P solidus V solidus T solidus = P RT V RT T RT = σ ys@ST V ST T ST

Figure DE102018110402A1_0001
wobei Psolidus der Druck innerhalb der eingeschlossenen Luftblase bei Solidus (MPa) ist, Vsolidus das Volumen der eingeschlossenen Luftblase bei der Solidustemperatur (m^3) ist, Tsolidus ist die Solidustemperatur (°K), PRT ist der Druck innerhalb der eingeschlossenen Luftblase bei der Raumtemperatur (MPa), VRT ist das Volumen der eingeschlossenen Luftblase bei der Raumtemperatur (m^3), TRT ist die Raumtemperatur (°K), σys@ST ist die Streckgrenze der Legierung bei der Lösungsbehandlungstemperatur (MPa), VST ist das Volumen der eingeschlossenen Luftblase 20C bei der Lösungsbehandlungstemperatur (m^3) und TST ist die Lösungsbehandlungstemperatur (°K).With reference to 2 is the development of trapped air bubbles, one of which is in 2 shown from the solidification under pressure during the die casting process, designated as 20A, via the cooling at room temperature (RT), designated as 20B, to the bubbling at an elevated temperature (ET), designated as 20C. Basically, the gas pressure in the bubbles 20A, 20B, and 20C and the volume of bubbles correspond to the combined gas laws at the different temperatures. The actual volume of bubbles 20A, 20B and 20C is balanced by either the yield strength of the alloy, the externally applied pressure or both. The following equation describes this activity: P solidus V solidus T solidus = P RT V RT T RT = σ ys @ ST V ST T ST
Figure DE102018110402A1_0001
where P solidus is the pressure inside the enclosed bubble at Solidus (MPa), V solidus is the volume of the trapped bubble at the solidus temperature (m ^ 3), T solidus is the solidus temperature (° K), P RT is the pressure inside the enclosed air bubble at room temperature (MPa), V RT is the volume of trapped air bubble at room temperature (m ^ 3), T RT is the room temperature (° K), σ ys @ ST is the yield strength of the alloy at the solution treatment temperature (MPa), V ST is the volume of the trapped air bubble 20C at the solution treatment temperature (m ^ 3) and T ST is the solution treatment temperature (° K ).

Beim Verfestigen ist das Aluminium, das die mitgeführte Luftblase umschließt, natürlich fest, sodass das Volumen der Luftblase 20B fest ist und bei Raumtemperatur als konstant angesehen werden kann.When solidifying, the aluminum surrounding the entrained air bubble is naturally solid so that the volume of the air bubble 20B is solid and can be considered constant at room temperature.

Die Temperaturabhängigkeit der Materialstreckgrenze σys(T) kann durch eine lineare Reduzierung der Raumtemperaturstreckgrenze bei Temperaturen unter Tmin bestimmt werden und durch Einstellen der Niedrigtemperaturstreckgrenze σys(Tmin) für den mit dem Temperaturanstieg einhergehenden Verlust der Steifigkeit. σ ys ( T ) = σ ys ( T min ) + ( σ ys ( 298 ) σ ys ( T min ) ) [ T min T T min 298 ]

Figure DE102018110402A1_0002
wenn T<=Tmin σ ys ( T ) = σ ys ( T min ) [ 1 C ys ( E LT E ( T ) E LT ) ]
Figure DE102018110402A1_0003
wenn T>Tmin wobei Cys eine empirisch ermittelte Proportionalitätskonstante (1,5 ~ 2,0) ist. σys (Tmin) = (0.85∼0.9) σys (298). Die Niedrigtemperatur (Tmin) liegt zwischen 423 ∼ 453°K; Die maximale Temperatur (Tmax) liegt zwischen 673° und 723° K; T ist die Temperatur (°K); E ( T ) = E 0 E LT E HT 1 + exp ( T * T φ )
Figure DE102018110402A1_0004
T * = ( T min + T max ) / 2
Figure DE102018110402A1_0005
φ= ( T max T min ) / 4
Figure DE102018110402A1_0006
wobei E(T) das Elastizitätsmodul bei Temperatur T (MPa) ist; ELT ist das Elastizitätsmodul bei einer niedrigen Temperatur (Tmin); EHT ist das Elastizitätsmodul bei einer hohen Temperatur (Tmax); Eo ist der Elastizitätsmodul bei einer Raumtemperatur (73000 ∼ 77000 MPa); und σys (298) ist die Materialstreckgrenze bei einer Raumtemperatur. σ ys ( 298 ) = σ i + Δ σ ss ( t , T ) + Δ σ ppt ( t , T )
Figure DE102018110402A1_0007
wobei t und T Alterungszeiten (Sekunden) und die Temperatur (°K) sind. The temperature dependence of the material yield strength σ ys (T) can be determined by linearly reducing the room temperature yield strength at temperatures below T min and by setting the low temperature yield strength σ ys (T min ) for the loss of stiffness associated with the temperature rise. σ ys ( T ) = σ ys ( T min ) + ( σ ys ( 298 ) - σ ys ( T min ) ) [ T min - T T min - 298 ]
Figure DE102018110402A1_0002
if T <= T min σ ys ( T ) = σ ys ( T min ) [ 1 - C ys ( e LT - e ( T ) e LT ) ]
Figure DE102018110402A1_0003
if T> T min where C ys is an empirically determined proportionality constant (1.5 ~ 2.0). σ ys (T min ) = (0.85~0.9) σ ys (298). The low temperature (T min ) is between 423 ~ 453 ° K; The maximum temperature (T max ) is between 673 ° and 723 ° K; T is the temperature (° K); e ( T ) = e 0 - e LT - e HT 1 + exp ( T * - T φ )
Figure DE102018110402A1_0004
T * = ( T min + T Max ) / 2
Figure DE102018110402A1_0005
φ = ( T Max - T min ) / 4
Figure DE102018110402A1_0006
where E (T) is the modulus of elasticity at temperature T (MPa); E LT is the elastic modulus at a low temperature (T min ); E HT is the modulus of elasticity at a high temperature (T max ); Eo is the elastic modulus at room temperature (73,000 ~ 77,000 MPa); and σ ys (298) is the material yield strength at room temperature. σ ys ( 298 ) = σ i + Δ σ ss ( t . T ) + Δ σ ppt ( t . T )
Figure DE102018110402A1_0007
where t and T are aging times (seconds) and temperature (° K).

Der Beitrag der Mischkristallhärtung kann durch Gefügevariablen in Form einer Gleichgewichtskonzentration bei der Alterungstemperatur beschrieben werden, wie nachfolgend dargestellt: Δ σ ss ( t , T ) = { Δ σ ss θ 3 2 ( T ) + e x p ( t τ 1 ( t ) ) [ Δ σ ssi 3 2 Δ σ ss θ 3 2 ( T ) ] } 2 3

Figure DE102018110402A1_0008
wobei Δ σ ssi = σ q σ i
Figure DE102018110402A1_0009
Δ σ ss θ ( T ) = σ oa ( T ) σ i
Figure DE102018110402A1_0010
σ oa ( T ) = σ i + ( σ q σ i ) exp 2 Q s 2 R ( 1 T 1 T s )
Figure DE102018110402A1_0011
τ 1 ( T ) = K 1 P p Texp ( Qa RT )
Figure DE102018110402A1_0012
The contribution of solid solution hardening can be described by structural variables in the form of an equilibrium concentration at the aging temperature, as shown below: Δ σ ss ( t . T ) = { Δ σ ss θ 3 2 ( T ) + e x p ( - t τ 1 ( t ) ) [ Δ σ ssi 3 2 - Δ σ ss θ 3 2 ( T ) ] } 2 3
Figure DE102018110402A1_0008
in which Δ σ ssi = σ q - σ i
Figure DE102018110402A1_0009
Δ σ ss θ ( T ) = σ oa ( T ) - σ i
Figure DE102018110402A1_0010
σ oa ( T ) = σ i + ( σ q - σ i ) exp - 2 Q s 2 R ( 1 T - 1 T s )
Figure DE102018110402A1_0011
τ 1 ( T ) = K 1 P p texp ( Qa RT )
Figure DE102018110402A1_0012

Der Beitrag zur Härtung durch Ausfällungen der zweiten Phase gegeben ist durch: Δ σ ppt ( t , T ) = 2 S ( t , T ) [ P * ( t , T ) ] 1 6 1 + [ P * ( t , T ) ] 1 2

Figure DE102018110402A1_0013
P * ( t , T ) = T ( t , T ) P p
Figure DE102018110402A1_0014
P ( t , T ) = t T exp ( Qa RT )
Figure DE102018110402A1_0015
S ( t ,T ) 2 = ( S θ ) max 2 [ 1 exp Qs R ( 1 T 1 T s ) ] [ 1 exp ( t τ 1 ( t ) ) ]
Figure DE102018110402A1_0016
Tabelle 1 zeigt mehrere Materialkonstanten für die Streckgrenzmodelle. Parameter des Streckgrenzmodells Aluminiumgusslegierungen Intrinsische Streckgrenze (MPa), □i 40∼60 Streckgrenze wie abgeschreckt (MPa), □q 70∼90 Aktivierungsenergie für die Alterung (kJ/mol), Qa 180∼230 Universelle Gaskonstante (J/mol. °K), R 8,314 Spitzentemperatur-Korrekturzeit (s/°K), Pp 3,5E-22 ∼3,5E-22 Metastabile Solvustemperatur (°K), Ts 500∼550 Max. Festigkeitsparameter bei 0 K (MPa), (S0)max 240-280 Solvus-Enthalpie (kJ/mol), Qs 40∼50 Konstante bezogen auf □1 bis tp, K1 0,5∼0,6 The contribution to hardening by precipitations of the second phase is given by: Δ σ ppt ( t . T ) = 2 S ( t . T ) [ P * ( t . T ) ] 1 6 1 + [ P * ( t . T ) ] 1 2
Figure DE102018110402A1_0013
P * ( t . T ) = T ( t . T ) P p
Figure DE102018110402A1_0014
P ( t . T ) = t T exp ( - Qa RT )
Figure DE102018110402A1_0015
S ( t T ) 2 = ( S θ ) Max 2 [ 1 - exp - qs R ( 1 T - 1 T s ) ] [ 1 - exp ( - t τ 1 ( t ) ) ]
Figure DE102018110402A1_0016
Table 1 shows several material constants for the yield point models. Parameters of the yield point model Cast aluminum alloys Intrinsic yield strength (MPa), □ i 40~60 Yield strength as quenched (MPa), □ q 70~90 Activation energy for aging (kJ / mol), Qa 180~230 Universal gas constant (J / mol. ° K), R 8.314 Peak temperature correction time (s / ° K), pp 3.5E-22 ~ 3.5E-22 Metastable solvus temperature (° K), Ts 500~550 Max. Strength parameters at 0 K (MPa), (S 0 ) max 240-280 Solvus enthalpy (kJ / mol), Qs 40~50 Constant with respect to □ 1 to tp, K1 0,5~0,6

Wenn keine Blasenbildung vorliegt, sollte das Blasenvolumen bei der spezifischen Lösungstemperatur (VST) konstant sein, d. h. die VST sollte gleich Vsolidus sein. Somit, T ST = σ ys@ST P solidus T solidus < T solidus

Figure DE102018110402A1_0017
wobei Psolidus der Druck in der endgültig verfestigten Blase ist, der durch eine Gusssimulation bestimmt werden kann. In einem Gussbauteil wie etwa einem Motorblock kann der Druck in jeder mitgeführten Gasblase in Bezug auf die Blasenposition zugeordnet werden. Basierend auf dem zugeordneten Blasendruck und der Materialstreckgrenze bei einer erhöhten Temperatur kann die erreichbare Lösungsbehandlungstemperatur optimiert werden.If there is no bubbling, the bubble volume should be constant at the specific solution temperature (V ST ), ie the V ST should equal V solidus . Consequently, T ST = σ ys @ ST P solidus T solidus < T solidus
Figure DE102018110402A1_0017
where P solidus is the pressure in the finally solidified bubble that can be determined by casting simulation. In a cast component such as an engine block, the pressure in each entrained gas bladder may be associated with respect to the bladder position. Based on the associated bubble pressure and the material yield point at an elevated temperature, the achievable solution treatment temperature can be optimized.

Ein zweiter Teil und Schritt des Verfahrens oder Prozesses bezieht sich auf das Bestimmen der Lösungsbehandlungszeit (tST). Die Lösungsbehandlungszeit, auch Auflösungszeit genannt (tST), basiert auf den Zeiten, in denen sich Partikel im Material oder in der Legierung auflösen und der kritischen Zeit, zu der die Blase zu wachsen beginnt. Die maximale Lösungsbehandlungszeit (maximale Auflösungszeit) sollte unter der Zeit liegen, die zum Auflösen der Partikel benötigt wird, und unter der kritischen Zeit, über der die mitgeführten Gasblasen wachsen. t S T = Min { Auflösungszeit von Mg 2 Si ,  Al 2 Cu ,  kritische Wachstumsphase ,  usv . }

Figure DE102018110402A1_0018
A second part and step of the method or process relates to determining the solution treatment time (t ST ). Solution time, also called dissolution time (t ST ), is based on the times at which particles dissolve in the material or alloy and the critical time at which the bubble begins to grow. The maximum solution treatment time (maximum dissolution time) should be less than the time required to dissolve the particles and less than the critical time over which the entrained gas bubbles grow. t S T = min { Dissolution time of Mg 2 Si . al 2 Cu . critical growth phase . ups , }
Figure DE102018110402A1_0018

Bei der Lösungsbehandlung folgt die Auflösungszeit der Partikel dem zweiten Fick'schen Gesetz. C t = D 2 C x 2

Figure DE102018110402A1_0019
D = D θ exp ( Q d RT )
Figure DE102018110402A1_0020
wobei C der Legierungselementgehalt (at% oder Gew.-%), t die Zeit (Sekunden), x die Entfernung (Meter) ist; D ist der Diffusionskoeffizient (m^2s^-1), Do ist die Diffusionskonstante (m^2s^-1), R ist die universelle Gaskonstante (J/(mol. °K)); T ist die Temperatur (°K); und Qd ist die Aktivierungsenergie (J/mol).In the solution treatment, the dissolution time of the particles follows the second Fick's law. C t = D 2 C x 2
Figure DE102018110402A1_0019
D = D θ exp ( - Q d RT )
Figure DE102018110402A1_0020
where C is the alloying element content (at% or wt%), t is the time (seconds), x is the distance (meters); D is the diffusion coefficient (m ^ 2s ^ -1), Do is the diffusion constant (m ^ 2s ^ -1), R is the universal gas constant (J / (mol. ° K)); T is the temperature (° K); and Q d is the activation energy (J / mol).

3 zeigt ein Beispiel der berechneten Auflösungszeiten für verschiedene Größen von Mg2Si-Partikeln in einer Aluminiumgusslegierung während der Lösungsbehandlung bei 400°C mit einer Partikelgröße auf der Y-Achse und einer Lösungsbehandlungszeit auf der X-Achse, beginnend bei 10 Sekunden. Eine erste, untere Kurve 30A verfolgt die Auflösung der Partikelgrößen von nominal 2,5 µm; eine zweite, mittlere Kurve 30B verfolgt die Auflösung der Partikelgröße von nominal 5 µm; und die dritte, obere Kurve 30C verfolgt die Auflösung der Partikelgröße von nominal 10 µm. Aus 3 geht hervor, dass für die vollständige Auflösung der größeren Partikel eine wesentlich längere Auflösungszeit erforderlich ist. 3 FIG. 12 shows an example of the calculated dissolution times for various sizes of Mg 2 Si particles in an aluminum casting alloy during the solution treatment at 400 ° C. with a particle size on the Y-axis and a solution treatment time on the X-axis, starting at 10 seconds. A first, lower curve 30A tracks the resolution of nominal 2.5 μm particle sizes; a second, middle curve 30B tracks the resolution of the nominal 5 μm particle size; and the third, upper curve 30C tracks the resolution of the nominal 10 μm particle size. Out 3 shows that a much longer dissolution time is required for complete dissolution of the larger particles.

Wie vorstehend erwähnt, wird die Lösungsbehandlungszeit (tST) durch die kritische Zeit begrenzt, zu der die Blase zu wachsen beginnt. Die kritische Blasenbildungszeit ist abhängig davon, wie schnell das Material kriecht. Die Kriechdehnungsrate ist gegeben durch: ε . = d ε dt = A σ n t m

Figure DE102018110402A1_0021
wobei ε die Dehnung (dimensionslos) ist und A, n und m die Materialparameter sind. A variiert zwischen 1×10^-10 und 1×10^-18, n liegt im Bereich von 1 bis 10, m variiert von -0.1 bis 1.0 und σ ist die angelegte Spannung (MPa). Im Blasenbildungsprozess ist σ=PSTys(ST), wobei PST der Gasdruck innerhalb der Blase bei der Lösungsbehandlungstemperatur, σys(ST) die Materialstreckgrenze bei der Lösungsbehandlungstemperatur und t ist die kritische Blasenbildungszeit (Sekunden). Wie vorstehend beschrieben, sollte die maximale Lösungsbehandlungszeit (tST) unter der Zeit liegen, die zum Auflösen der Partikel benötigt wird, und unter der kritischen Zeit, über der die mitgeführten Gasblasen wachsen.As mentioned above, the solution treatment time (t ST ) is limited by the critical time when the bubble begins to grow. The critical blistering time depends on how fast the material creeps. The creep strain rate is given by: ε , = d ε dt = A σ n t m
Figure DE102018110402A1_0021
where ε is the strain (dimensionless) and A, n and m are the material parameters. A varies between 1 × 10 ^ -10 and 1 × 10 ^ -18, n ranges from 1 to 10, m varies from -0.1 to 1.0, and σ is the applied stress (MPa). In the bubbling process, σ = P ST -y ys (ST), where P ST is the gas pressure within the bubble at the solution treatment temperature, σ ys (ST) is the material yield strength at the solution treatment temperature, and t is the critical bubble formation time (seconds). As described above, the maximum solution treatment time (t ST ) should be less than the time required to dissolve the particles and less than the critical time over which the entrained gas bubbles grow.

Unter Bezugnahme auf 4 wird nun ein Vergleich der Eigenspannungen in luft- und wasservergüteten typischen Druckgussteilen, wie beispielsweise Zylinderköpfen, vorgestellt. Die Y-Achse (Ordinate) steht für steigende Eigenspannungen, d. h. maximale Hauptspannung oder MPa. Entlang der X-Achse (Abszisse) befinden sich links drei Gruppen 40A, 40B und 40C von Parzellen, die drei verschiedene Gussteile darstellen, die mit Luft abgeschreckt wurden. Innerhalb jeder Gruppe 40A, 40B und 40C stellt jedes der drei Diagramme die Spannung an drei verschiedenen Stellen jedes Gussteils dar. Rechts von 4 befinden sich sechs Gruppen 42A, 42B, 42C, 42D, 42E und 42F von Parzellen, die sechs verschiedene Gussteile darstellen, die mit Wasser abgeschreckt wurden. Innerhalb jeder Gruppe 42A, 42B, 42C, 42D, 42E und 42F stellt jedes der drei Diagramme die Spannung an drei verschiedenen Stellen innerhalb jedes Gussteils dar. Durch Bezugnahme und Untersuchung von 4 ist festzustellen, dass im Vergleich zu einer Wasserabschreckung eine Luftabschreckung die Eigenspannung um durchschnittlich mindestens 50 MPa deutlich reduzieren kann. Dementsprechend bezieht sich ein dritter Teil und Schritt des Verfahrens oder Prozesses auf das Bestimmen und Anwenden eines künstlichen Alterungsschritts.With reference to 4 Now, a comparison of residual stresses in air- and water-quenched typical die castings, such as cylinder heads, presented. The y-axis (ordinate) stands for increasing residual stresses, ie maximum principal stress or MPa. Along the X-axis (abscissa) are on the left three groups 40A, 40B and 40C of plots, representing three different castings, which were quenched with air. Within each group 40A, 40B and 40C, each of the three diagrams represents the stress at three different locations of each casting 4 There are six groups 42A, 42B, 42C, 42D, 42E and 42F of plots representing six different castings quenched with water. Within each group 42A, 42B, 42C, 42D, 42E and 42F, each of the three diagrams represents the stress at three different locations within each casting. By reference and examination of 4 It should be noted that, compared to a water quench, an air quench can significantly reduce the residual stress by an average of at least 50 MPa. Accordingly, a third part and step of the method or process refers to determining and applying an artificial aging step.

Unter Bezugnahme auf 5 und ungeachtet dessen ist zu verstehen, dass eine Luftabschreckung im Vergleich zu einer Wasserabschreckung bei gleichem Alterungszustand im Allgemeinen sowohl eine geringere Streckgrenze als auch eine höhere Zugfestigkeit ergibt. Um den Verlust der Zugfestigkeit durch Luftabschreckung auszugleichen, sind verschiedene Stufenalterungszyklen zur Verbesserung der Streckgrenze bekannt. 5 verdeutlicht die Verbesserung der Streckgrenze eines luftgehärteten HPDC A380-Legierungsgusses durch verschiedene Alterungszyklen und zum besseren Vergleich einen wassergehärteten HPDC A380-Legierungsguss. Die Y-Achse (Ordinate) von 5 repräsentiert die steigende Streckgrenze (MPa). Entlang der X-Achse (Abszisse) befinden sich fünf Diagramme, wobei die erste Kurve 50A die Luftkühlung bei Raumtemperatur darstellt; die zweite Kurve 50B repräsentiert eine Luftkühlung und wird dann für 2 Stunden bei 200°C gehalten; die dritte Kurve 50C steht für luftgekühlt, wird dann für 2,5 Stunden bei 95°C gehalten und anschließend für 2 Stunden bei 200°C gehalten; die vierte Kurve 50D steht für luftgekühlt, wird dann für 2,5 Stunden bei 95°C, für 4 Stunden bei 180°C und anschließend für 1 Stunde bei 200°C gehalten; und abschließend die fünfte Kurve 50E, die eine Wasserabschreckung darstellt und dann 2 Stunden lang bei 200°C gehalten wird.With reference to 5 and, nevertheless, it is understood that air quenching generally provides both lower yield strength and higher tensile strength compared to water quenching at the same aging condition. To compensate for the loss of tensile strength by air quenching, various stage aging cycles are known for improving yield strength. 5 illustrates the improvement in the yield strength of air-cured HPDC A380 alloy casting through various aging cycles and, for better comparison, a water-hardened HPDC A380 alloy casting. The y-axis (ordinate) of 5 represents the increasing yield strength (MPa). Along the X axis (abscissa) are five graphs, with the first graph 50A representing air cooling at room temperature; the second curve 50B represents air cooling and is then held at 200 ° C for 2 hours; the third curve 50C is air-cooled, then held at 95 ° C for 2.5 hours and then held at 200 ° C for 2 hours; the fourth curve 50D is air-cooled, then held at 95 ° C for 2.5 hours, 180 ° C for 4 hours and then 200 ° C for 1 hour; and finally, the fifth curve 50E, which is a water quench and then held at 200 ° C for 2 hours.

Wie in 6 veranschaulicht, kann das nicht-isotherme Schema T(t) für eine Aluminiumlegierung optimiert werden, um mit minimalem Energieeinsatz, E(T,t) und einer Alterungszeit t die gewünschte Streckgrenze und Zugfestigkeit zu erreichen. Das heißt, und wie die qualitative Kurve 60 von 6 veranschaulicht, wird die Temperatur zunächst verhältnismäßig schnell auf ein Maximum erhöht, dann reduziert und bei einer niedrigeren Temperatur gehalten und abschließend langsam reduziert. Dieses zielübergreifende Problem mit Einschränkungen kann definiert werden als: { M i n ( T , t ) Ω E ( T , t ) = M i n ( T , t ) Ω T ( t ) d t M a x ( T , t ) Ω Δ σ p p t ( T , t , C )

Figure DE102018110402A1_0022
Ω = { 0 < T < T c ; 0 < t < ; 0 < C < C 0 }
Figure DE102018110402A1_0023
Δ σ p p t ( T , t , C ) Δ σ t arg e t
Figure DE102018110402A1_0024
wobei E(T,t) der Energieeintrag ist, der eine Funktion der Temperatur (T) und der Zeit (t) ist, Δσppt(T,t,C) die Erhöhung der Materialfestigkeit durch Ausscheidungshärtung ist, Δσt arg et die gewünschte Festigkeitssteigerung ist, die für den luftabgeschreckten Aluminiumguss erforderlich ist, Co und C sind der anfängliche und aktuelle Gehalt (in % oder Gew.-%) eines härtenden Legierungselements in einer Aluminiummatrix während des Alterungszyklus und Tc ist die kritische Obergrenze der Alterungstemperatur (°K).As in 6 illustrates, the non-isothermal scheme T (t) for an aluminum alloy can be optimized to achieve the desired yield strength and tensile strength with minimum energy input, E (T, t) and aging time t. That is, and like the qualitative curve 60 of FIG 6 illustrated, the temperature is first increased relatively quickly to a maximum, then reduced and maintained at a lower temperature and finally reduced slowly. This cross-issue issue with limitations can be defined as: { M i n ( T . t ) Ω e ( T . t ) = M i n ( T . t ) Ω T ( t ) d t M a x ( T . t ) Ω Δ σ p p t ( T . t . C )
Figure DE102018110402A1_0022
Ω = { 0 < T < T c ; 0 < t < ; 0 < C < C 0 }
Figure DE102018110402A1_0023
Δ σ p p t ( T . t . C ) Δ σ t bad e t
Figure DE102018110402A1_0024
where E (T, t) is the energy input that is a function of temperature (T) and time (t), Δσ ppt (T, t, C) is the increase in material strength by precipitation hardening, Δσ t arg et the desired one Co and C are the initial and current content (in% or wt%) of a hardening alloying element in an aluminum matrix during the aging cycle and Tc is the critical upper limit of the aging temperature (° K) ,

Bezogen auf 7, umfasst das Verfahren auch die Verwendung eines mehrstufigen Alterungszyklus, dargestellt durch die Kurve 70, mit einer höheren Temperatur 72 während des frühen Teils des Alterungszyklus, gefolgt von einer reduzierten Temperatur 74 während eines letzten Teils des Alterungszyklus, der die Eigenspannung in Aluminiumdruckgussteilen reduziert, insbesondere in Bauteilen, in denen ungleiche Materialien, wie beispielsweise Aluminium, vorhanden sind, welche die Gusseisenbuchsen eines Motorblocks umschließen.Related to 7 The method also includes the use of a multi-stage aging cycle, represented by the curve 70, at a higher temperature 72 during the early part of the aging cycle, followed by a reduced temperature 74 during a final part of the aging cycle that reduces the residual stress in aluminum die castings, in particular in components in which dissimilar materials, such as aluminum, are present which enclose the cast iron bushes of an engine block.

Dementsprechend wird es aus dem Vorstehenden ersichtlich, dass ein mehrstufiges Verfahren oder ein Prozess zur Behandlung von Aluminiumdruckgussteilen im Hinblick auf eine maximale Nettozugfestigkeit und zur Reduzierung der Eigenspannungen die Schritte des Bestimmens der höchsten Temperatur und der kürzest möglichen Zeit für die Lösungsbehandlung des/der Gussteil(e) durch eine rechnergestützte Thermodynamik, Kinetik und die auf der Zusammensetzung der Aluminiumlegierung und dem Gasdruck in den verfestigten Teilen basierenden Gasgesetze umfasst. Dieser Aspekt beim Bestimmen der maximalen Lösungstemperatur wird durch das Zuordnen des Drucks in den Blasen des verfestigten Materials erreicht, da unbedingt die Blasenbildung durch oberflächennahe Blasen im Gussteil vermieden werden muss. Nach der Lösungsbehandlung werden die Teile luftgekühlt, um die Restzugfestigkeit zu reduzieren. Abschließend werden die Teile einem nicht isothermen oder mehrstufigen Alterungsprozess unterzogen, der die Nettozugfestigkeit maximiert.Accordingly, it will be seen from the foregoing that a multi-stage process or process for treating aluminum die cast parts for maximum net tensile strength and residual stress reduction includes the steps of determining the highest temperature and the shortest possible solution treatment time of the casting (s). e) by computer-aided thermodynamics, kinetics and gas laws based on the composition of the aluminum alloy and the gas pressure in the solidified parts. This aspect in determining the maximum solution temperature is achieved by assigning the pressure in the bubbles of the solidified material, since it is essential to avoid blistering by near-surface bubbles in the casting. After the solution treatment, the parts are air-cooled to reduce the residual tensile strength. Finally, the parts undergo a non-isothermal or multi-stage aging process that maximizes net tensile strength.

Der vorstehende mehrstufige Prozess oder das Verfahren verbessert die Nettozugfestigkeit um mindestens 50 %, entlastet die Gussrestspannung um 40% bis 80% und beseitigt in Teilen mit verschiedenen Materialien die Rissbildung, beispielsweise bei Aluminium-Motorblöcken mit gusseisernen Zylinderlaufbuchsen.The above multi-step process or process improves net tensile strength by at least 50%, relieves the residual casting stress by 40% to 80%, and eliminates cracking in parts with various materials, such as cast iron cylinder liner aluminum engine blocks.

Die Beschreibung ist lediglich exemplarisch und Variationen, die nicht vom allgemeinen Kern dieser Offenbarung abweichen, werden als im Rahmen der Offenbarung befindlich verstanden. Solche Varianten sollen nicht als eine Abweichung vom Sinn und Umfang der Erfindung betrachtet werden.The description is merely exemplary and variations that do not depart from the general spirit of this disclosure are deemed to be within the scope of the disclosure. Such variants are not to be regarded as a departure from the spirit and scope of the invention.

Claims (7)

Verfahren zum Verbessern der Nettozugfestigkeit eines Hochdruck-Aluminiumdruckgussteils, umfassend die Schritte: Bestimmen einer höchsten Temperatur und einer kürzesten Zeit für die Lösungsbehandlung eines Druckgussteils aus einer Aluminiumlegierung durch Zuordnen von Druck in Blasen aus einer erstarrten Aluminiumlegierung unter Verwendung von Druck- und Volumengasgesetzen, Unterziehen des Aluminiumdruckgussteils einer Lösungsbehandlung für die festgelegte höchste Temperatur und kürzeste Zeit, Luftkühlung des Aluminiumdruckgussteils zum Reduzieren der Restzug festigkeit, und Unterziehen des Aluminiumdruckgussteils einem nicht isothermen, mehrstufigen Alterungszyklus zum Verbessern der Nettozugfestigkeit.A method of improving the net tensile strength of a high pressure aluminum die casting comprising the steps of: Determining a highest temperature and a shortest time for the solution treatment of an aluminum alloy die-cast member by applying pressure to bubbles of a solidified aluminum alloy using pressure and volume gas laws; subjecting the aluminum die-cast solution treatment to the set highest temperature and shortest time, air cooling the An aluminum die casting for reducing residual tensile strength, and subjecting the aluminum die casting to a non-isothermal multi-stage aging cycle to improve net tensile strength. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt des Bestimmens einer Solidustemperatur für das Aluminiumlegierungs-Druckgussteil.Method according to Claim 1 further comprising the step of determining a solidus temperature for the aluminum alloy die casting. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Temperatur und die Zeit zur Lösungsbehandlung die Blasenbildung vermeiden.Method according to Claim 1 wherein the temperature and time for solution treatment avoid bubble formation. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Lösungsbehandlungszeit unter einer Zeit liegt, zu der die mitgeführten Gasblasen wachsen.Method according to Claim 1 wherein the solution treatment time is below a time when the entrained gas bubbles grow. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Zuordnen von Druck in Blasen die folgende Gleichung anwendet: P solidus V solidus T solidus = P RT V RT T RT = σ ys@ST V ST T ST
Figure DE102018110402A1_0025
Method according to Claim 1 in which the assignment of pressure in bubbles uses the following equation: P solidus V solidus T solidus = P RT V RT T RT = σ ys @ ST V ST T ST
Figure DE102018110402A1_0025
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Bestimmen der Lösungsbehandlungszeit die folgenden Gleichungen anwendet: C t = D 2 C x 2 D = D θ exp ( Q d RT )
Figure DE102018110402A1_0026
wobei C der Legierungselementgehalt (at% oder Gew.-%), t die Zeit (Sekunden), x die Entfernung (Meter) ist; D ist der Diffusionskoeffizient (m^2s^-1), Do ist die Diffusionskonstante (m^2s^-1), R ist die universelle Gaskonstante (J/(mol. °K)); T ist die Temperatur (°K); und Qd ist die Aktivierungsenergie (J/mol).
Method according to Claim 1 wherein determining the solution treatment time applies the following equations: C t = D 2 C x 2 D = D θ exp ( - Q d RT )
Figure DE102018110402A1_0026
where C is the alloying element content (at% or wt%), t is the time (seconds), x is the distance (meters); D is the diffusion coefficient (m ^ 2s ^ -1), Do is the diffusion constant (m ^ 2s ^ -1), R is the universal gas constant (J / (mol. ° K)); T is the temperature (° K); and Q d is the activation energy (J / mol).
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Bestimmen des nicht-isothermen, mehrstufigen Alterungsprozesses die folgenden Gleichungen anwendet: { M i n ( T , t ) Ω E ( T , t ) = M i n ( T , t ) Ω T ( t ) d t M a x ( T , t ) Ω Δ σ p p t ( T , t , C )
Figure DE102018110402A1_0027
Ω = { 0 < T < T c ; 0 < t < ; 0 < C < C 0 }
Figure DE102018110402A1_0028
Δ σ p p t ( T , t , C ) Δ σ a rg e t
Figure DE102018110402A1_0029
wobei E(T,t) der Energieeintrag ist, der eine Funktion der Temperatur (T) und der Zeit (t) ist, Δσppt(T,t,C) die Erhöhung der Materialfestigkeit durch Ausscheidungshärtung ist, Δσt arg et die gewünschte Festigkeitssteigerung ist, die für den luftabgeschreckten Aluminiumguss erforderlich ist, Co und C sind der anfängliche und aktuelle Gehalt (in % oder Gew.-%) eines härtenden Legierungselements in einer Aluminiummatrix während des Alterungszyklus und Tc ist die kritische Obergrenze der Alterungstemperatur (°K).
Method according to Claim 1 wherein determining the non-isothermal multi-stage aging process employs the following equations: { M i n ( T . t ) Ω e ( T . t ) = M i n ( T . t ) Ω T ( t ) d t M a x ( T . t ) Ω Δ σ p p t ( T . t . C )
Figure DE102018110402A1_0027
Ω = { 0 < T < T c ; 0 < t < ; 0 < C < C 0 }
Figure DE102018110402A1_0028
Δ σ p p t ( T . t . C ) Δ σ a rg e t
Figure DE102018110402A1_0029
where E (T, t) is the energy input that is a function of temperature (T) and time (t), Δσ ppt (T, t, C) is the increase in material strength by precipitation hardening, Δσ t arg et the desired one Co and C are the initial and current content (in% or wt%) of a hardening alloying element in an aluminum matrix during the aging cycle and Tc is the critical upper limit of the aging temperature (° K) ,
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6773666B2 (en) * 2002-02-28 2004-08-10 Alcoa Inc. Al-Si-Mg-Mn casting alloy and method
JP2004099962A (en) * 2002-09-09 2004-04-02 Honda Motor Co Ltd Heat treatment method for light alloy casting
BRPI0519400A2 (en) * 2004-12-23 2009-01-20 Commw Scient Ind Res Org heat treatment of aluminum alloy high pressure die castings
US8323425B2 (en) * 2008-03-05 2012-12-04 GM Global Technology Operations LLC Artificial aging process for aluminum alloys
FR2944030B1 (en) * 2009-04-02 2012-10-26 Peugeot Citroen Automobiles Sa THERMAL PROCESSING METHOD AND ALUMINUM ALLOY PART ALLOY UNDER PRESSURE

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