DE2512866B2

DE2512866B2 - Verfahren zum haerten von aluminiumlegierungs-werkstuecken unterschiedlicher dicke

Info

Publication number: DE2512866B2
Application number: DE19752512866
Authority: DE
Inventors: Georges Issoire Lacoste (Frankreich)
Original assignee: Societe pour le Forgeage et l'Estampage des Alliages Legers Forgeal, Paris
Priority date: 1974-03-27
Filing date: 1975-03-24
Publication date: 1977-03-03
Also published as: FR2265868B1; GB1506935A; DE2512866A1; BE827202A; SE7503454L; NL7503780A; IT1034465B; FR2265868A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten von Werkstücken, insbesondere von geschmiedeten oder gesenkgeschmiedeten Werkstücken, aus Aluminiumlegierungen, wozu vorher auf bestimmte Bereiche ein isolierender Überzug aufgebracht wird.

Die bisher angewandten Mittel zum Aushärten, beispielsweise kaltes Wasser, führen nach dem Warmauslagern oder Kaltauslagern zu ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften der betreffenden Werkstücke. Bei bestimmten besonders zusammengesetzten Legierungen jedoch und bei bestimmten Arten von massiven oder kompliziert geformten Werkstücken beobachtet man nach dem Aushärten ein erhöhtes Ausmaß an Spannungen und lokale Spitzenspannungen. Dies zeigt sich beispielsweise durch Deformation der Werkstücke beim Aushärten oder auch erst bei der Bearbeitung, wenn durch örtlichen Materialabtrag ein Ungleichgewicht der im Werkstück enthaltenen Spannungen auftritt. Manchmal beobachtet man Härterisse.

Man kann die Gefahr solcher Fehler entweder durch Aushärten in heißem oder sogar siedendem Wasser oder durch einen zusätzlichen Arbeitsgang, und zwar durch eine Kaltumformung unmittelbar nach dem Aushärten vermindern. Ersteres führt zu einer allgemeinen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften, die je nach der Art der Legierung stärker oder schwächer ausgeprägt ist; letzteres läßt sich — abgesehen davon, daß ein zusätzlicher Arbeitsgang erforderlich ist — nicht auf komplizierte gesenkgeschmiedete Werkstücke anwenden.

Nach der DT-PS 3 43 523 wird eine Isolierschicht auf Bereiche von Werkstücken aufgetragen, welche beim Härten weich bleiben sollen. Mit anderen Worten soll an diesen Stellen die Abschreckwirkung des Härtebades eingedämmt werden. Dazu muß der Überzug eine ausreichende Dicke haben, um die Abkühlungsgeschwindigkeit in diesen Bereichen wesentlich herabzusetzen. Man wendet nach dieser Patentschrift eine pastenförmige Masse aus einer Wasserglaslösutg mit einem feuerfesten Pulver an. Nach einem älteren Vorschlag (DT-OS 2442 204) wird auf die dünnen Bereiche von Gegenstanden aus Aluminiumlegierungen eine Isolierschicht aufgebracht, um dadurch den »Ölkannen-Effekt« möglichst gering zu halten. Durch diese Maßnahme werden die dünnen Bereiche des Werkstückes nicht ganz so schnell abgeschreckt wie ohne Überzug, wohingegen in den dicken Bereichen die volle Abschreckwirkung eintritt Die Wirkung des isolierenden Überzugs ist also hier eine Annäherung der Abkühigeschwindigkeiten zwischen den dünnen und den dicken Bereichen des Werkstücks, indem die AbkühJungsgeschwmdigkeit in den dünnen Bereichen herabgesetzt wird.

Es ist bekannt, daß der Wärmeübergang von einer Metalloberfläche auf ein flüssiges Kühlmedium dann sehr stark absinkt, wenn sich an der Metalloberfläche durch Verdampfung des Kühlmediums ein Dampffilm gebildet hat Durch einen derartigen Dampffilm wurde bisher in den dicken Bereichen der Werkstücke mit ihrer größeren Wärmekapazität die Abkühlungsgeschwindigkeit wesentlich verringert gegenüber den dünneren Bereichen mit ihrer geringeren Wärmekapazität, an denen es praktisch nicht zur Ausbildung eines Dampffilms kommen kann.

Aufgabe der Erfindung ist eine möglichst homogene Festigkeit über dicke und dünne Werkstückbereiche (im Gegensatz zum Stand der Technik, wo wesentliche Eigenschaftsunterschiede in den dünneren und dickeren Bereichen der Werkstücke angestrebt werden).

Die Erfindung geht nun aus von einem Verfahren zum Härten von Werkstücken unterschiedlicher MaterialdiK-ken aus Aluminiumlegierungen, wozu vorher auf bestimmte Bereiche ein isolierender Überzug aufgebracht wird. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit durch Vermeidung eines Dampffilms bei Beginn des Abschreckens der isolierende Überzug auf die dicksten Bereiche des Werkstücks in einer Dicke von maximal 1 mm aufgebracht wird. Gegebenenfalls kann man auf die ganz dünnen Bereiche des Werkstücks einen wärmeleitenden Überzug oder auch zuerst auf das gesamte Werkstück einen wärmeisolierenden Überzug und nur in den dünnen Bereichen darauf einen wärmeleitenden Überzug aufbringen.

Es hat sich gezeigt — ohne daß hierfür eine Erklärung geliefert werden kann —, daß diese Kombination von Überzügen in zahlreichen Fällen zu den besten Ergebnissen führt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kühlen die dicken Teile schneller ab als ohne isolierenden Überzug. Ohne den isolierenden Überzug auf den dicken Bereichen würde die Abkühlungsgeschwindigkeit durch Auftreten des Dampffilms wesentlich verringert Durch den erfindungsgemäß angewandten isolierenden Überzug auf den dicken Bereichen erfolgt an diesen ein Blasensieden, bei dem der Wärmeübergangskoeffizient sehr hoch und damit auch die Abkühlungsgeschwindigkeit hoch ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt also im Gegensatz zum Stande der Technik und dem älteren Vorschlag eine Angleichung der Abkühlgeschwindigkeiten in den dünnen und in den dicken Bereichen, wobei die der dicken Bereiche erhöht wird.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird eine Verringerung der Spannungen erreicht, ohne daß dies auf Kosten der angestrebten Eigenschaften des ganzen Werkstücks geht Dies ist besonders zu berücksichtigen bei massiven Teilen in bestimmten Anschlußbereichen und in Bereichen um Bohrungen.

Beim Eintauchen der erfindungsgemäß vorbehandelten Werkstücke in ein Härtebad von übliche! weise <«60 bis 530⁰C — je nach Art der Legierung — beobachtet man von Beginn des Eintauchens an ein örtliches Sieden, bei dem der Wärmeübergangskoeffizient sehr hoch ist

Aus der GB-PS 9 31 865 und FR-PS 13 93 109 ist bekannt auf_ Werkstücke vor dem Härten einen isolierenden Überzug aufzubringen, um die Härtungsgeschwindigkeit durch Vermeidung des Dampffilms zu beschleunigen. Diese Überzüge auf der gesamten Oberfläche der Werkstücke bewirken aber insgesamt und nicht örtlich differenziert eine Erhöhung der Härtungsgeschwindigkeit und führen zu keiner meßbaren Verringerung der Spannungen.

Die Auswahl der Produkte für den isolierenden Überzug geschieht im Hinblick auf die wärmeisolierenden Eigenschaften, auf Temperaturbeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und Haftvermögen an den Werkstücken beim Aufbringen, Lösungsglühen und Härten. Ausgezeichnete Ergebnisse werden mit einem Gemisch aus Bariumsulfat,Titanoxid, Natriumsilicat und Wasser erreicht. Man kann auch eine Masse verwenden, die frisch hergestellt wird aus einem Gemisch eines Klebers auf Cellulosebasis, Glycerin, feuerfestem Mörtel und Rutil in Suspension und aus einem Gemisch von »Meudon«-Plaster, suspendiert in einer Natriumsilicatlösung.

Für die leitenden Überzüge können die Pigmente beispielsweise Aluminiumpulver oder Graphitpulver oder -plättchen sfin; sie werden als Suspensionen in wäßrigen oder organischen Flüssigkeiten mit guten Resultaten aufgetragen, z. B. mit Pinsel, oder Spritzpistole, oder durch Tauchen

Es reicht ein Auftrag, dessen Dicke von einigen Zehntel Millimeter bis 1 mm bei einer viskosen Masse betragt.

Beispiel 1

Ein Körper mit einem Durchmesser von etwa 350 mm (Schnitt in Fig. 1) wurde durch Schmieden eines Knüppels aus einer Aluminiumlegierung A — LbGN (2.6% Cu, 1,55% Mg, 1,1% Fe, 1,15% Ni, 0.1% Ti) erhalten.

Die Form des fertigen Teils ist mit durchbrochener Linie angedeutet. Man sieht, daß die Dicke im Mittels»ück von 10 mm auf 1.5 mm abgearbeitet wird.

Wird die übliche Wärmebehandlung vorgenommen - d.h. 8h Erhitzen bei 52?°C, Härten in siedendem Wasser und Warmauslagern 22 h lang bei 203°C — und dann spanend bearbeitet, so zeigt sich, daß unter der Einwirkung der Wärmespannungen das Mittelstück nicht eben bleibt sondern sich nach oben oder unten, je nach der Krafteinwirkung, biegt; es bildet sich eine Blase.

Wird hingegen die erfindungsgemäße Behandlung angewandt, d. h. werden die in F i g. 1 schraffierten Werkstückteile mit einer Suspension von Titanoxid und Bariumsulfat in Natriumsilicatlösung bestrichen und der Überzug trocknen gelassen, bevor die gleiche Wärmebehandlung durchgeführt wird, so beobachtet man keinerlei Deformation des Mitielstückes nach der SDananhebenden Bearbeitung. Es wird nämlich das Knicken durch an der Wurzel der Rippen konzentrierte periphere Spannungen unterdrückt Die mechanischen Eigenschaften in den beschichteten Werkstückbereichen waren darüber hinaus erheblich verbessert; die StrecKgrenze stieg von 35hbar auf 38hbar und die Zugfestigkeit von 41 hbar auf 43 hbar.

Beispiel 2

Ein Fahrgestell in Form eines quadratischen Kastens ίο von 600mm χ 600mm, dessen einer Schnitt in Fig.2 gezeigt ist wurde aus der Aluminiumlegierung 7075 (53% Zn, 2,7% Mg, 1,5% Cu) hergestellt

Wie in Beispiel 1 wurde der Überzug auf die schraffierten Teile aufgebracht und folgendes Programm durchgeführt:

Lösungsglühen 6 h bei 465°C, Härten in heißem Wasser, Warmauslagern 6 h bei 107⁰C und 8 h bei 175° C

Vergleicht man die Eigenschaften der auf diese Weise behandelten Werkstücke mit denen ohne Beschichtung nach dem Härten in lauwarmem Wasser, so stellt man fest:

1. Die erfindungsgemäß behandelten Werkstücke enthielten nur etwa 50 bis 60% der Spannungen der Vergleichskorper.

2. Die Querbruchfestigkeit lag bei den erfindungsgemäß behandelten Werkstücken bei 44.4 bis 46,6 hbar, bei den Vergleichskörpern bei 44,6 bis 48,2 hbar. Unbeschichtete, in heißem Wasser gehärtete Werkstücke müßten etwa 8 hbar weniger besitzen als im lauwarmen Wasser gehärtete. Die erfindungsgemäß differenzierte Beschichtung der Werkstücke verleiht also den in heißem Wasser gehärteten Werkstücken etwa die gleiche Zugfestigkeit wie die der obigen Vergleichsprodukte, nur daß die Restspannungen um etwa den Faktor 2 geringer sind.

Die Werte für die Querdehnung betragen 6 bis 11% für erfindungsgemäß beschichtete und in siedendem Wasser gehärtete Werkstücke gegenüber 4 bis 9,5% für in lauwarmem Wasser gehärtete Vergleichskorper.

Analog sind die Ergebnisse an Prüfkörpern anderer Richtung.

Beispiel 3

Ein gesenkgeschmiedetes rechteckiges Werkstück der Legierung aus Beispiel 2. 350 mm χ 400 mm, besaß einen im wesentlichen der F i g. 2 analogen Querschnitt. Die gesamte Oberfläche wurde mit einem isolierenden Überzug versehen und zwar einem Gemisch von Bariumsulfat, Titanoxid und Natriumsilicat. Anschließend wurde auf die dünnen nicht schraffierten Bereiche ein leitender Überzug auf der Basis von Aluminiumpulver aufgebracht. Zum Vergleich diente ein gleichartiges unbeschichtetes Werkstuck.

Beide Werkstücke wurden der gleichen Wärmebehandlung T 73 unterworfen; nämlich Lösungsglühen 6 h bei 4b5°C, Härten in Wasser von 60" C, Warmauslagern 6 h bei 107^c C und anschließend 8 h bei 175°C.
Vergleicht man die mechanischen Eigenschaften der beiden Werkstücke, so zeigt sich folgendes:

1. Bei den erfindungsgemäß behandelten Werkstükken betrugen die Querbruchfestigkeit und Streckgrenze im Mittel 47,6 bzw. 40,1 hbar in den massiven Teilen und 50,5 bzw. 43,9 hbar in den dünnen Teilen; die entsprechenden Werte der Vergleichskorper waren 47 bzw. 39,7 hbar in den massiven und 50,1 bzw. 43,7 hbar in den dünnen Teilen.

Die mechanischen Eigenschaften wurden somit durch

das erfindungsgemäße Verfahren praktisch nicht verändert.

2. Wird die obere Fläche des Werkstückes bis zur horizontalen Achse (F i g. 2) abgespannt, so kommt es durch die Spannungen zu einer Deformation, die sich durch Änderungen der Seitenteile gegenüber einer Bezugsebene zeigt. Die Messungen wurden an verschiedenen Punkten des Werkstückes durchgeführt, die mit 0, 1, 2, 3, 4 und 5 bezeichnet wurden. In jedem dieser Punkte für erfindungsgemäße und Vergleichskörper wurde die Lageänderung der Seitenteile nach dem spanenden Bearbeiten gemessen (mm).

Meßpunkt 0 1

Vergleich
Erf.-gem.
Abnahme der
Deformation

-1,4
-0.6

57%

47,5% -4.9
-2.4
51%

-4,4
_2

54,5%

-4,7
-2,3

51%

-6

-2,6

56.6%

Die Verminderung der Spannungen betrug somit an den meisten Meßpunkten mehr als 50%.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Härten von Werkstücken unterschiedlicher Materialdicken aus Aluminiumlegierungen, wozu vorher auf bestimmte Bereiche ein isolierender Oberzug aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit durch Vermeidung eines Dampffilmes bei Beginn des Abschreckens der isolierende Überzug auf die dicksten Bereiche des Werkstücks in einer Dicke von maximal 1 mm aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die ganz dünnen Bereiche ein wärmeleitender Überzug aufgebracht wird.

3. Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeisolierende Überzug auf die gesamte Oberfläche des Werkstükkes und auf diesem nur in den dünnen Bereichen der wärmeleitende Überzug aufgebracht wird

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als isolierender Überzug eine Suspension von Erdalkalisulfaten und Metalloxiden in einer Alkalisilikatlösung aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als leitender Überzug ein solcher auf der Basis von Aluminium- oder Graphitpulver aufgebracht wird.