DE10222098B4

DE10222098B4 - Verfahren zur Wärmebehandlung von einem Bauteil aus einer härtbaren Leichtmetalllegierung

Info

Publication number: DE10222098B4
Application number: DE2002122098
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Nefischer; Robert Dr. Ehart
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2011-01-13
Anticipated expiration: 2022-05-18
Also published as: DE10222098A1

Abstract

Verfahren zur Wärmebehandlung von einem Bauteil aus einer härtbaren Leichtmetalllegierung mit zumindest einem Hohlraum,
wobei eine Wärmeabfuhr nach einem Lösungsglühen aus dem Hohlraum heraus erfolgt,
dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum von einem gasförmigem Kühlmedium durchspült oder geflutet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von einem Bauteil aus einer härtbaren Leichtmetalllegierung gemäß der Merkmale im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Erfindung geht von der deutschen Patentschrift DE 34 43 226 C1 aus. In dieser ist ein Verfahren zur Verbesserung der dynamischen Festigkeit von Radscheiben von Fahrzeugrädern aus aushärtbaren Aluminiumlegierungen beschrieben. Bei diesem Verfahren werden nach der eigentlichen Herstellung der Radscheibe, beispielsweise durch Gießen, Schmieden oder Pressen, die Radscheibe und die Felge aus Aluminium bei vorzugsweise 550°C lösungsgeglüht. Danach wird sie mit einem Kühlmittel besprüht, wobei zunächst der innere Bereich und dann, nach und nach, der äußere Bereich des Rades vom Kühlmittel erfasst wird. Ziel dieser Wärmebehandlung ist es, einen Temperaturgradienten zwischen dem mittleren Teil der Radscheibe und der außen liegenden Felge einzustellen, wobei die Felge die höchste Temperatur aufweist. Hierdurch werden statische Druckspannungen in dem kritischen Bereich des Rades hervorgerufen, welcher im Betrieb der größten Dauerbeanspruchung ausgesetzt ist.
Dieses Besprühverfahren nach dem Lösungsglühen ist jedoch nicht für komplexe dreidimensionale Hohlstrukturen einsetzbar.
Aus der DE 100 16 187 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Gussteilen aus Aluminium, insbesondere von Zylinderköpfen bekannt, bei dem bestimmte Bereiche nach einem Lösungsglühen abgeschreckt werden, indem flüssiges Abschreckmedium gezielt auf die betroffenen Bereiche gespritzt wird, bevor das gesamte Gussteil vollständig in ein Abschreckbad eingetaucht wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Wärmebehandlungsverfahren aufzuzeigen, bei dem gezielt Eigenspannungen in komplexen dreidimensionalen Hohlbauteilen erzeugt werden können.
Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Wärmebehandlung bzw. Abkühlung des Bauteiles vom Hohlraum aus, kann sogar eine Umkehrung des Vorzeichens der Eigenspannungen, das bedeutet Druckspannungen an der Hohlraumoberfläche erreicht werden. Durch die gezielte Abschreckung im Hohlraum nach dem Lösungsglühen können Eigenspannungen erzeugt werden, deren Vorzeichen dem der thermischen Spannungen im Betrieb und der Montagespannungen, beispielsweise bei mehrstückigen, zusammengesetzten Bauteilen, entgegengesetzt ist. In Summe kann somit eine Reduzierung der statischen Belastungen beim Betrieb erreicht werden, was in vorteilhafter Weise zu einer Erhöhung der Lebensdauer führt, bzw. höhere Betriebsbelastungen (z. B. Zünddruck bei Brennkraftmaschinen) erlaubt. Bei unveränderten Montage- und Betriebsbelastungen gegenüber einer herkömmlichen Wärmebehandlung kann aufgrund der hieraus resultierenden Gesamtbelastung Gewicht durch die Reduzierung von Wandstärken eingespart werden. Hohlbauteile können, aufgrund der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung bei gleicher bzw. verbesserter mechanischer Festigkeit im Gewicht leichter ausgeführt werden.
Bei einer Vorgehensweise gemäß Patentanspruch 2 werden Hohlräume im Bauteil vollständig befüllt, wodurch beispielsweise bei einem flüssigen Abschreckmedium eine Dampfbildung weitestgehend vermieden wird. Die gleichmäßige Abkühlung der hohlen Bauteile von innen nach außen ist somit gewährleistet. Bei gasförmigem Kühlmedium, z. B. Luft oder CO₂, sind keine Probleme zu erwarten.
Die in den Patentansprüchen 3 und 4 aufgezählten Bauteile sind für die erfindungsgemäße Wärmebehandlung besonders gut geeignet. Dies sind typische Bauteile, die beim Betrieb sowohl hohen Temperaturen bei wechselnden Drücken, als auch Deformationen durch Gehäuseverschraubungen unterliegen.
Entsprechend der Patentansprüche 5 und 6 weisen sowohl Zylinderköpfe als auch Zylinderkurbelgehäuse Hohlräume mit unregelmäßigem Querschnitt, wie z. B. kühlmittelführende Räume oder Gaswechselkanäle wie Einlass- und Auslasskanäle auf. Bei diesen Bauteilen werden nach dem Lösungsglühen vorzugsweise die Kühlmittelkanäle geflutet, wodurch eine gleichmäßige konstante Abkühlung von innen nach außen erfolgt. Die Einbringung zusätzlicher Kühlkanäle in das Gussbauteil ist nicht erforderlich.
Gemäß Patentanspruch 7 können auch Sacklöcher gezielt geflutet bzw. kann in diese ein gasförmiges Kühlmedium eingeblasen werden, um die entsprechende Wärmebehandlung durchzuführen.
Im Folgenden ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ohne Zeichnung näher erläutert.
Ein bevorzugtes Bauteil für die erfindungsgemäße Wärmebehandlung ist ein Leichtmetall-Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine. Es kann sich hierbei um den Zylinderkopf einer nach dem Otto- oder dem Dieselbrennverfahren arbeitenden Brennkraftmaschine handeln. Nach der eigentlichen Herstellung des Zylinderkopfes durch Gießen, wird dieser von seinen Gusskernen befreit und gereinigt. Dieser gereinigte Rohling wird anschließend bei einer Temperatur im Bereich von etwa 550°C lösungsgeglüht, um Eigenspannungen die beim Abkühlen aus der Schmelze entstehen abzubauen und Legierungselemente (z. B. Mg, Cu im AlSi-Mischkristall) zu Lösen. Diese bleiben bei rascher Abkühlung in Lösung und können beim Warmauslagern in gezielter Form ausgeschieden (Härten) werden. Im noch heißen Zustand werden anschließend die Kühlmittelkanäle im Zylinderkopf von einem Kühlmittel durchflutet, wodurch eine gezielte Abkühlung des Bauteils von innen nach außen erfolgt. Eine Wärmeabfuhr von der Bauteilaußenhaut nach innen hat hierbei eine wesentlich untergeordnete Rolle. Die bei der vorgeschlagenen Abschreckmethode entstehenden Zugspannungen an der Bodenplatte, das ist die, den Brennraum abschließende Wandung des Zylinderkopfes, bzw. die Brennraumseite des Zylinderkopfes, wirken den dort im Betrieb herrschenden Druckspannungen aufgrund der thermischen Dehnung entgegen. Hierdurch werden die plastischen Deformationen im warmen Zustand reduziert. Nach Abkühlung der Brennkraftmaschine ergeben sich daher deutlich geringere Zugspannungen und damit kleinere Spannungsamplituden bei Temperaturwechsel. Außerdem wirken die Zugspannungen den Montagespannungen, die bei der Montage des Zylinderkopfes auf dem Zylinderkurbelgehäuse entstehen, entgegen.
Somit wirken die erfindungsgemäß erzeugten Zugspannungen sowohl den thermischen Spannungen, aufgrund der einseitigen Temperaturbeaufschlagung durch die Verbrennungsgase und den Montagespannungen entgegen. Bezüglich der (dynamischen) Zünddruckbelastung stellen thermische, sowie Montage und- und Eigenspannungen quasistatische Belastungen dar, welche je nach Vorzeichen die Lebensdauer des Bauteils beeinflussen. Durch die Abkühlung von innen ergeben sich im Wassermantel Druckeigenspannungen. Druckspannungen erlauben größere Spannungsamplituden und führen bei gleichbleibender Belastung zu höheren Lebensdauern. Durch die gezielt erzeugten Eigenspannungen kann somit die Haltbarkeit von Motorkomponenten entscheidend verbessert werden.
Durch die höhere dynamische Festigkeit der Bodenplatte kann diese für den Betrieb dünner ausgelegt werden, wodurch Gewicht eingespart wird, bzw. kann bei gleichbleibender Wandstärke eine wesentlich höhere mechanische dynamische Festigkeit erzielt wird. Dies bedeutet, dass die Brennkraftmaschine mit deutlich höheren Spitzendrücken betrieben werden kann, wodurch die spezifische Leistung sowie der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert werden. Darüber hinaus führt die geringere Wandstärke weiter zu einer verbesserten Wärmeabfuhr, wodurch die thermischen Belastungen für das Bauteil noch weiter sinken.
Neben flüssigen Abschreckmedien können auch dampfförmige Abschreckmedien sowie kalte Gase eingesetzt werden. Neben Kühlmittelführungen im Zylinderkopf können auch die Ansaugkanäle bzw. Auslasskanäle gezielt zur Wärmebehandlung derartiger Bauteile verwenden. Neben weiteren Leichtmetall-Bauteilen mit Hohlräumen sind beispielsweise auch Zylinderkurbelgehäuse, Abgaskrümmer und Turboladergehäuse für die erfindungsgemäße Wärmebehandlung sehr gut geeignet. Als einsetzbare Leichtmetalle sind beispielsweise alle härtbaren Legierungen von Aluminium und Magnesium sowie deren Legierung genannt.

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung von einem Bauteil aus einer härtbaren Leichtmetalllegierung mit zumindest einem Hohlraum, wobei eine Wärmeabfuhr nach einem Lösungsglühen aus dem Hohlraum heraus erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum von einem gasförmigem Kühlmedium durchspült oder geflutet wird.
Bauteil, hergestellt durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Maschinengehäuse ist.
Bauteil, hergestellt durch ein Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinengehäuse ein Zylinderkurbelgehäuse oder ein Zylinderkopf ist.
Bauteil, hergestellt durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum einen unregelmäßigen Querschnitt aufweist.
Bauteil, hergestellt durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum ein medienführender Raum ist.
Bauteil, hergestellt durch ein Verfahren Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum ein Sackloch ist.