DE10341575B4 - Verfahren zum thermischen Behandeln eines Leichtmetall-Legierungsgussteils - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum thermischen Behandeln eines Leichtmetall-Legierungsgussteils, umfassend den Schritt des Erwärmens eines Leichtmetall-Legierungsgussteils bis zu einem Bereich fester Lösung und des Haltens des Leichtmetall-Legierungsgussteils bei einer solchen Erwärmungstemperatur T sowie einen Schritt des Abschreckens des Leichtmetall-Legierungsgussteils durch ein Kühlmedium, wobei das Leichtmetall-Legierungsgussteil in dem Schritt des Abschreckens innerhalb einer Umgebung gehalten wird, in welcher ein statischer Umgebungsdruck herrscht, der größer ist als ein Normalluftdruck, so dass das Leichtmetall-Legierungsgussteil allseitig dem erhöhten Umgebungsdruck ausgesetzt wird, so dass in dem Leichtmetall-Legierungsgussteil enthaltenes Gas daran gehindert wird, sich auszudehnen oder an die Oberfläche des Leichtmetall-Legierungsgussteils zu gelangen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum thermischen Behandeln eines Leichtmetall-Legierungsgussteils.
  • Zum Herstellen eines Leichtmetall-Legierungsgussteils wird herkömmlich Lösungsglühen eingesetzt, um das Leichtmetall-Legierungsgussteil nach dem Gießen in eine homogene feste Lösung (Mischkristall) umzuwandeln.
  • Beim Lösungsglühen wird jedoch das Abschrecken nach dem Erwärmen bei Luftdruck durchgeführt und es besteht daher die Möglichkeit, dass ein ein Limit der festen Lösung überschreitendes Gas (hauptsächlich Wasserstoff), welches dem Gussteil beim Gießprozess enthalten ist, sich während des Abschreckens ausdehnt, was in einer Erhöhung einer Porösität des Leichtmetall-Legierungsgussteils resultiert. Es besteht außerdem die Möglichkeit, dass das Gas an eine Oberfläche des Gussteils gelangt, wodurch Blasen an der Oberfläche erzeugt werden. Diese Umständen behindern eine Erhöhung der Härte des Leichtmetall-Legierungsgussteils.
  • Aus der DE 15 58 798 B2 ist ein Verfahren zum thermischen Behandeln eines Leichtmetall-Legierungsgussteils bekannt, in welchem das auf eine hohe Temperatur erhitzte Gussteil abgekühlt wird, indem ein Hochdruckstrahl eines Kühlmediums auf das Gussteil gespritzt wird. Durch die Verwendung eines solchen Hochdruckstrahls kann ein auf der Oberfläche des Gussteils gebildeter Dampffilm aus verdampftem Kühlmedium durchbrochen werden, der sonst als Sperre den Wärmeaustausch behindern würde. Auf diese Weise lässt sich die Kühlgeschwindigkeit des Gussteils durch das bekannte Verfahren erhöhen.
  • Ferner offenbart die WO 96/035819 ein Verfahren zur Behandlung eines Leichtmetall-Legierungsgussteils, in welchem das Gussteil im Rahmen seiner Herstellung bzw. Vergütung erhitzt und anschließend abgeschreckt wird. Für den Schritt des Abschreckens wird entweder Tauchabschreckung oder die Abschreckung mit einem Hochdruckwasserstrahl verwendet.
  • Aus der EP 605 660 B1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Leichtmetall-Legierungsgussteils in einer Druckgussvorrichtung bekannt, wobei geschmolzenes Metall aus einem Ofen angesaugt und unter Druck in den Gusshohlraum zwischen zwei Matrizen gepresst wird.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein thermisches Behandlungsverfahren bereitzustellen, in welchem eine Erhöhung der Porösität des Leichtmetall-Legierungsgussteils verhindert und die Erzeugung von Blasen auf der Oberfläche des Leichtmetall-Legierungsgussteils vermieden wird, wodurch die Festigkeit des Leichtmetall-Legierungsgussteils gesteigert werden kann.
  • Um die oben genannte Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum thermischen Behandeln eines Leichtmetall-Legierungsgussteils gemäß Anspruch 1 bereit. Ein solches Verfahren umfasst einen Schritt des Erwärmens eines Leichtmetall-Legierungsgussteils bis zu einem Bereich fester Lösung (Mischkristallbereich) und des Haltens des Leichtmetall-Legierungsgussteils bei solch einer Erwärmungstemperatur T sowie einen Schritt des Abschreckens des Leichtmetall-Legierungsgussteils durch ein Kühlmedium, während es unter Druck gesetzt wird.
  • Das oben erwähnte Erwärmen und Abschrecken kann eine Wirkung bereitstellen, welche ähnlich ist wie beim gewöhnlichen Lösungsglühen, nämlich eine Wirkung, die es ermöglicht, dass das Leichtmetall-Legierungsgussteil in eine homogene feste Lösung umgewandelt wird. Da das Leichtmetall-Legierungsgussteil durch das Kühlmedium abgeschreckt wird, während es unter Druck gesetzt ist, wird zusätzlich die Ausdehnung des in den Gussteil beim Gießverfahren enthaltenen Gases unterdrückt und die Übertragung des Gases an die Oberfläche dieses Gussteils wird verhindert, wodurch die Erzeugung von Blasen an der Oberfläche vermieden werden kann. Ferner kann das unter Druck stehende Kühlmittel in engen Kontakt mit der gesamten Oberfläche des Leichtmetall-Legierungsgussteils gebracht werden, wodurch die Kühlgeschwindigkeit erhöht werden kann.
  • Dieses thermische Behandlungsverfahren kann daher ein Leichtmetall-Legierungsgussteil mit hoher Festigkeit herstellen.
  • Gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich zum ersten Merkmal die Erwärmungstemperatur T auf T > TS gesetzt, wobei TS eine Soliduslinientemperatur für eine das Leichtmetall-Legierungsgussteil bildende Leichtmetall-Legierung repräsentiert. Mit diesem Merkmal ist es möglich, ein thermisches Behandlungsverfahren bereitzustellen, mit welchem ein Leichtmetall-Legierungsgussteil mit einer weiter erhöhten Festigkeit durch Einsatz der oben beschriebenen Mittel hergestellt werden kann.
  • Ein beim Prozess des Abschreckens angelegter Druck P ist zweckmäßigerweise im Bereich von 200 bar ≤ P ≤ 2000 bar. Ist P < 200 bar, so ist die Druckbeaufschlagung nicht wirkungsvoll. Ist andererseits P > 2000 bar, so ist die Wirkung der Druckbeaufschlagung nicht signifikant, für eine Druckerhöhung. Der angelegte Druck P ist jedoch in dem oben beschriebenen Bereich (200 bar ≤ P ≤ 2000 bar) bei höheren Werten wirkungsvoller.
  • Tabelle 1 zeigt Zusammensetzungen zweier Typen von Aluminiumlegierungen, welche zur Bildung von Aluminiumlegierungs-Gussteilen als Gussteile von Leichtmetall-Legierungen, d. h. A356-Legierung und ADC3-Legierung (JIS), verwendet werden, und Tabelle 2 zeigt Soliduslinientemperaturen TS und Liquiduslinientemperaturen TL der Legierungen. Tabelle 1
    Al-Legierung Chemische Bestandteile (Masse-%)
    Si Cu Mg Mn Fe Ti Zn Al
    A356 7.43 0.04 0.43 0.03 0.16 0.36 0.02 Restbetrag
    ADC3 9.7 0.3 0.55 0.2 1.1 - 0.1 Restbetrag
    Tabelle 2
    Al-Legierung Solidus-Linientemperatur T. Liquidus-Linientemperatur TL
    A356 555°C 610°C
    ADC3 560°C 590°C
    • (1) Eine Mehrzahl von Aluminium-Legierungsgussteilen I wurden unter Verwendung eines Schwerkraft-Sanddruckgussverfahrens mit einer A356-Legierung geformt und eine Mehrzahl von Aluminiumlegierungsgussteilen II wurden durch Verwendung eines Vakuum-Druckgussverfahrens mit einer ADC3-Legierung geformt.
    • (2) Ein Gehalt eines Gases in jedem der Aluminium-Legierungsgussteile I und II wurde gemessen.
    • (3) Jedes der Aluminium-Legierungsgussteile I und II wurde einer thermischen Behandlung unterzogen, welche nachfolgend beschrieben wird. Jedes der Aluminium-Legierungsgussteile I und II wurde unter Luftdruck in einen Bereich fester Lösung (einen Temperaturbereich, in welchem das Gussteil als eine homogene feste Lösung vorliegen kann) erwärmt und bei einer solchen Erwärmungstemperatur T gehalten. Danach wurde jedes der Aluminium-Legierungsgussteile I und II bei Luftdruck oder während Druckbeaufschlagung durch ein Kühlmedium abgeschreckt. Als Kühlmedium wurde Wasser verwendet. In diesem Fall wurde jede der Erwärmungstemperaturen T in einem Bereich von T ≤ TS gesetzt (wobei TS eine Soliduslinientemperatur der Aluminiumlegierung ist, welche jedes der Aluminium-Legierungsgussteile I und II bildet).
    • (4) Jedes der Aluminium-Legierungsgussteile I und II wurde einer künstlichen Alterungsbehandlung bei 160°C für sechs Stunden unterzogen.
    • (5) Eine spezifische Dichte eines jeden der Aluminium-Legierungsgussteile I und II wurde gemessen und als scheinbare spezifische Dichte definiert. Eine spezifische Dichte einer jeden der die A345-Legierung und die ADC3-Legierung umfassenden Strangpressmischungen wurden außerdem gemessen und als wahre spezifische Dichte definiert. Eine Porösität (%) wurde gemäß einer Gleichung bestimmt: Porösität = {(wahre spezifische Dichte – scheinbare spezifische Dichte)/wahre spezifische Dichte} × 100.
    • (6) Aus jedem der Aluminium-Legierungsgussteile I und II wurden drei Teststücke hergestellt, um einen Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy durchzuführen, wobei ein Kerbschlagbiegewert nach Charpy für jeden der Teststücke gemessen wurde.
  • Tabelle 3 zeigt thermische Behandlungsbedingungen für die Aluminium-Legierungsgussteile I(1), I(2), II(1) und II(2). Tabelle 3
    Al-Legierungs-Gussteil Thermische Behandlung
    Erwärmungsprozess Abschreckungsprozess
    Temperatur (°C) Druck Zeit (Stunden) Druck (bar) Zeit (Minuten)
    I (1) 530 Luftdruck 3 Luftdruck 0.2
    (2) 1,000 30.0
    II (1) 530 Luftdruck 3 Luftdruck 0 . 2
    (2) 1,200 30.0
    • TS für Al-Legierungsgussteil I: 555°C
    • TS für Al-Legierungsgussteil II: 560°C
  • Der Grund, warum die Zeit für den Abschreckprozess für das Aluminium-Legierungsgussteil I(2) und II(2) länger ist als die für die Aluminium-Legierungsgussteile I(1) und II(1) in Tabelle 3, liegt darin, dass eine längere Zeit zum Aufbauen des Druck benötigt wird.
  • Tabelle 4 zeigt den Gehalt an Gas, den Druck beim Abschreckprozess, die scheinbare spezifische Dichte, die wahre spezifische Dichte, die Porösität und den Kerbschlagbiegewert nach Charpy für jeden der Aluminium-Legierungsgussteile I(1), usw. Tabelle 4
    Al-Legierunggussteil Anteil an Gas (cm3/100g) Druck beim Abschreckungsprocess Scheinbare spezifische Dichte wahre spezifische Dichte Porösität (%) Kerbschlagbiegewert nach Charpy (J/cm2)
    I (1) 0.7 Luftdruck 2.670 2.685 0.56 9.5
    (2) 1,000 2.670 0.56 15.8
    II (1) 3.0 Luftdruck 1.688 2.687 37.18 1.4
    (2) 1,200 2.681 0.22 12.4
  • Die Aluminium-Legierungsgussteile I(1) und I(2), welche den geringeren Gasanteil aufweisen, wurden miteinander verglichen. Als ein Ergebnis wurden keine Blasen an Oberflächen der Aluminium-Legierungsgussteile beobachtet und es wurde festgestellt, dass deren scheinbare spezifische Dichten im Wesentlichen gleich waren und deren Porösitäten im Wesentlichen gleich waren, jedoch der Kerbschlagbiegewert nach Charpy des Aluminium-Legierungsgussteils I(2) größer war als der des Aluminium-Legierungsgussteils I(1). Es wird angenommen, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass das unter Druck stehende Kühlmedium in engen Kontakt mit der gesamten Oberfläche des Aluminium-Legierungsgussteils I (2) gebracht wurde, wodurch die Kühlgeschwindigkeit erhöht wurde.
  • Die Aluminium-Legierungsgussteile II(1) und II(2), welche den größeren Gasanteil aufweisen, wurden miteinander verglichen. Als ein Ergebnis wurden eine Mehrzahl von Blasen an der Oberfläche des Aluminium-Legierungsgussteils II(1), welches im Abschreckungsprozess nicht unter Druck gesetzt wurde, beobachtet, während die Bildung von Blasen jedoch an der Oberfläche des Aluminium-Legierungsgussteils II(2), welches im Abschreckungsprozess unter Druck gesetzt wurde, nicht beobachtet wurde.
  • Bei dem Aluminium-Legierungsgussteil II(2) wurde dessen scheinbare spezifische Dichte erhöht und seine Porösität wurde beträchtlich geringer als die des Aluminium-Legierungsgussteils II(1), wodurch eine beträchtliche Erhöhung des Kerbschlagbiegewerts nach Charpy beobachtet wurde.
    • (1) Eine Mehrzahl von Aluminium-Legierungsgussteilen IV wurden unter Verwendung eines Gravitations-Sand-Druckguss-Verfahrens mit einer A356-Legierung gebildet und eine Mehrzahl von Aluminium-Legierungsgussteilen V wurden unter Verwendung eines Vakuum-Druckguss-Verfahrens mit einer ADC3-Legierung gebildet.
    • (2) Ein Gasgehalt in jedem der Aluminium-Legierungsgussteilen IV und V wurde gemessen.
    • (3) Jedes der Aluminium-Legierungsgussteile VI und V wurde einer thermischen Behandlung unterzogen, welche nachfolgend beschrieben wird. Jedes der Aluminium-Legierungsgussteile IV und V wurde auf einen Bereich fester Lösung erwärmt und bei einer solcher Erwärmungstemperatur T gehalten. Dann wurde jedes der Aluminium-Legierungsgussteile IV und V durch ein Kühlmedium abgeschreckt, während es unter Druck gesetzt war. Als Kühlmedium wurde Wasser verwendet. In diesem Fall wurde jede der Erwärmungstemperaturen T in einem Bereich von T > TS gesetzt (wobei TS eine Solidus-Linientemperatur der Aluminiumlegierung ist, welche jedes der Aluminium-Legierungsgussteile IV und V bildet). Wenn die Erwärmungstemperatur T wie oben beschrieben gesetzt wird, so kann sowohl ein Teil eines Eutektikums (Al + Si), welches ein die Festigkeit minderndes, niedergeschlagenes Kristall mit einem niedrigen Schmelzpunkt ist, als auch eine intermetallische Verbindung AlSiFe geschmolzen werden.
    • (4) Jedes der Aluminium-Legierungsgussteile IV und V wurde einer künstlichen Alterungsbehandlung bei 160°C für 6 Stunden unterzogen.
    • (5) Eine spezifische Dichte eines jeden der Aluminium-Legierungsgussteile IV und V wurde gemessen und als eine scheinbare spezifische Dichte definiert. Eine Porösität (%) wurde unter Verwendung dieser scheinbaren spezifischen Dichte, der oben beschriebenen wahren spezifischen Dichte und der oben beschriebenen Gleichung bestimmt.
    • (6) Es wurden drei Teststücke von jedem der Aluminium-Legierungsgussteile IV und V hergestellt, um einen Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy auszuführen, und ein Kerbschlagbiegewert nach Charpy wurde für jedes der Teststücke gemessen.
  • Tabelle 5 zeigt thermische Behandlungsbedingungen für die Aluminium-Legierungsgussteile IV(1), IV(2), V(1) und V(2). Tabelle 5
    Al-Legierungs-Gussteil Thermische Behandlung
    Erwärmungsprozess Abschreckungsprozess
    Temperatur (°C) Druck Zeit (Stunden) Druck (bar) Zeit (Minuten)
    IV (1) 567 Luftdruck 3 Luftdruck 0.2
    (2) 1,000 30.0
    V (1) 567 Luftdruck 3 Luftdruck 0.2
    (2) 1,200 30.0
    • TS für Al-Legierungsgussteil IV: 555°C
    • TS für Al-Legierungsgussteil V: 560°C
  • Der Grund, warum die Zeit für den Abschrägungsprozess für die Aluminium-Legierungsgussteile IV(2) und V(2) in Tabelle 5 länger ist, liegt darin, dass eine längere Zeit zum Aufbauen des Drucks benötigt wird.
  • Tabelle 6 zeigt den Gasanteil, den Druck im Abkühlungsprozess, die scheinbare spezifische Dichte, die wahre spezifische Dichte, die Porösität und den Kerbschlagbiegewert nach Charpy für jedes der Aluminium- Legierungsgussteile IV(1), usw. Tabelle 6
    Al-Legierunggussteil Anteil an Gas (cm3/100g) Druck beim Abschreckungsprocess Scheinbare spezifische Dichte wahre spezifische Dichte Porösität (%) Kerbschlagbiegewert nach Charpy (J/cm2)
    IV (1) 0.7 Luftdruck 1.500 2.685 44.13 2.3
    (2) 1,000 2.672 0.48 16.4
    V (1) 3.0 Luftdruck 1.701 2.687 36.70 1.4
    (2) 1,200 2.674 0.48 14.6
  • Die Aluminium-Legierungsgussteile IV(1) und IV(2) mit dem kleineren Gasanteil wurden miteinander verglichen. Als ein Ergebnis wurden in dem Aluminium-Legierungsgussteil IV(1) Poren, welche aufgrund des Schmelzens eines Teils eines Eutektikums (Al + Si) in dem Erwärmungsprozess erzeugt wurden, im Abschreckungsprozess ausgedehnt, so dass die scheinbare spezifische Dichte reduziert wurde, während die Porösität erhöht wurde, und der Kerbschlagbiegewert nach Charpy war demzufolge extrem gering. Bei dem Aluminium-Legierungsgussteil IV(2) sind die Poren durch die Druckbeaufschlagung im Abschreckungsprozess zusammengedrückt, um die scheinbare spezifische Dichte zu erhöhen, während die Porösität verringert wird. Der Kerbschlagbiegewert nach Charpy war deshalb bemerkenswert hoch. Dies gilt ebenso für die Aluminium-Legierungsgussteile V(1) und V(2).
  • Aufgrund der Erhöhung der Erwärmungstemperatur T bei dem Erwärmungsprozess weist das Aluminium-Legierungsgussteil IV(2) einen höheren Kerbschlagbiegewert nach Charpy auf als das Aluminium-Legierungsgussteil I(2), welches in 4 gezeigt ist und welches durch die thermische Behandlung unter denselben thermischen Behandlungsbedingungen, ausgenommen der Erwärmungstemperatur T, erhalten wurde. Dies gilt auch für die Aluminium-Legierungsgussteile V(2) und II(2).
  • Bei dem Erwärmungsprozess kann außerdem erwartet werden, dass die Charakteristiken des Aluminium-Legierungsgussteils durch Anlegen eines Drucks an das Aluminium-Legierungsgussteil verbessert werden können. Wenn das Abschrecken unter der Druckeinwirkung ausgeführt wird, so kann in diesem Fall eine Zeit zum Aufbauen des Drucks in dem Abkühlungsprozess eliminiert werden und eine Zeit für den Abkühlungsprozess kann stark verkürzt werden. Dies ist wirkungsvoll für die Bereitstellung einer Verbesserung der Produktivität der Aluminium-Legierungsgussteile.
  • Gemäß dem ersten Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein thermisches Behandlungsverfahren bereitzustellen, durch welches ein Leichtmetall-Legierungsgussteil mit exzellenter Festigkeit unter Einsatz der oben beschriebenen Mittel hergestellt werden kann.
  • Gemäß dem zweiten Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein thermisches Behandlungsverfahren bereitzustellen, durch welches ein Leichtmetall-Legierungsgussteil mit weiter erhöhter Festigkeit unter Einsatz der oben beschriebenen Mittel hergestellt werden kann.
  • Ein thermisches Behandlungsverfahren enthält einen Schritt zum Erwärmen eines Leichtmetall-Legierungsgussteils bis zu einem Bereich fester Lösung und Halten desselben bei solch einer Erwärmungstemperatur T sowie ein Schritt des Abschreckens des Leichtmetall-Legierungsgussteils durch ein Kühlmedium während es unter Druck gesetzt wird. Es kann somit eine Erhöhung der Porösität des Leichtmetall-Legierungsgussteils unterdrückt und eine Erzeugung von Blasen an einer Oberfläche des Leichtmetall-Legierungsgussteils verhindert werden, wodurch die Festigkeit des Leichtmetall-Gussteils erhöht wird.

Claims (2)

  1. Verfahren zum thermischen Behandeln eines Leichtmetall-Legierungsgussteils, umfassend den Schritt des Erwärmens eines Leichtmetall-Legierungsgussteils bis zu einem Bereich fester Lösung und des Haltens des Leichtmetall-Legierungsgussteils bei einer solchen Erwärmungstemperatur T sowie einen Schritt des Abschreckens des Leichtmetall-Legierungsgussteils durch ein Kühlmedium, wobei das Leichtmetall-Legierungsgussteil in dem Schritt des Abschreckens innerhalb einer Umgebung gehalten wird, in welcher ein statischer Umgebungsdruck herrscht, der größer ist als ein Normalluftdruck, so dass das Leichtmetall-Legierungsgussteil allseitig dem erhöhten Umgebungsdruck ausgesetzt wird, so dass in dem Leichtmetall-Legierungsgussteil enthaltenes Gas daran gehindert wird, sich auszudehnen oder an die Oberfläche des Leichtmetall-Legierungsgussteils zu gelangen.
  2. Verfahren zum thermischen Behandeln eines Leichtmetall-Legierungsgussteils nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungstemperatur T auf T > TS gesetzt ist, wobei TS eine Soliduslinientemperatur für eine das Leichtmetall-Legierungsgussteil bildende Leichtmetall-Legierung ist.
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