DE2512866C3

DE2512866C3 - Process for hardening aluminum alloy work pieces of different thicknesses

Info

Publication number: DE2512866C3
Application number: DE19752512866
Authority: DE
Inventors: Georges Issoire Lacoste (Frankreich)
Original assignee: Societe pour le Forgeage et l'Estam page des Alhages Legers Forgeal, Paris
Priority date: 1974-03-27
Filing date: 1975-03-24
Publication date: 1977-10-13

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.The invention relates to a method for hardening workpieces, in particular forged or drop-forged workpieces, made of aluminum alloys, for which purpose a certain area beforehand insulating coating is applied.

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.The means previously used for hardening, for example cold water, lead to artificial aging or cold aging to excellent mechanical properties of the workpieces in question. With certain specially composed alloys, however, and with certain types of Solid or complex workpieces are observed to be increased after hardening Degree of tension and local peak tension. This is shown, for example, by the deformation of the Workpieces during hardening or only during processing, if due to local material removal Imbalance of the stresses contained in the workpiece occurs. Sometimes one observes hardening cracks.

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 fto schwächer ausgeprägt ist; letzteres läßt sich — abgesehen davon, daß ein zusätzlicher Arbeitsgang erforderlich ist — nicht auf komplizierte gesenkgeschmiedete Werkstücke anwenden.One can reduce the risk of such errors either by curing it in hot or even boiling water or by an additional work step, namely by cold forming immediately after the Reduce hardening. The former leads to a general deterioration in mechanical properties, which is more or less pronounced depending on the type of alloy; the latter can be - apart from the fact that an additional work step is required - not on complicated drop forged ones Apply workpieces.

Nach der DT-PS 3 43 523 wird eine Isolierschicht auf f.5 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 Wasserglaslösung mit einem feuerfesten Pulver an. Nach einem älteren Vorschlag (DT-OS 24 42 204) wird auf die dünnen Bereiche von Gegenständen 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 Abkühlgeschwindigkeiten zwischen den dünnen und den dicken Bereichen des Werkstücks, indem die Abkühlungsgeschv/indigkeit in den dünnen Bereichen herabgesetzt wird.According to DT-PS 3 43 523, an insulating layer is applied to f.5 areas of workpieces, which at Hardening should remain soft. In other words, the quenching effect of the hardening bath should be at these points be contained. For this, the coating must have a sufficient thickness to allow the rate of cooling in these areas significantly. According to this patent specification, one applies a paste-like mass from a water glass solution with a refractory powder. After an older one Proposal (DT-OS 24 42 204) is on the thin areas of objects made of aluminum alloys an insulating layer is applied in order to keep the "oil can effect" as low as possible. Through this measure, the thin areas of the workpiece are not quenched quite as quickly as without coating, whereas the full quenching effect occurs in the thick areas. The effect of the insulating coating is here an approximation of the cooling rates between the thin and the thick areas of the workpiece by reducing the cooling rate in the thin areas is reduced.

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 Werkslücke 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.It is known that the heat transfer from a metal surface to a liquid cooling medium then drops very sharply when a vapor film forms on the metal surface due to evaporation of the cooling medium has formed. By such a vapor film was previously in the thick areas of the work gap with their larger heat capacity significantly reduces the cooling rate compared to the thinner ones Areas with their lower heat capacity where it is practically impossible to form a Steam film can come.

Aufgabe der Erfindung ist eine möglichst homogene Festigkeit über dicke und dünne Werkstückbereiche (im Gegensatz zum Stand der Technik, wo weseniliche Eigenschaftsunterschiede in den dünneren und dickeren Bereichen der Werkstücke angestrebt werden).The object of the invention is the most homogeneous possible strength over thick and thin workpiece areas (im In contrast to the prior art, where there are essential differences in properties in the thinner and thicker ones Areas of the workpieces are aimed at).

Die Erfindung geht nun aus von einem Verfahren zum Härten von Werkstücken unterschiedlicher Materialdikken 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.The invention is based on a method for hardening workpieces of different material thicknesses made of aluminum alloys, for which an insulating coating has been applied to certain areas beforehand will. It is characterized in that to increase the cooling rate by avoidance a vapor film at the start of quenching the insulating coating on the thickest areas of the Workpiece is applied with a maximum thickness of 1 mm. If necessary, you can access the very thin areas of the workpiece a thermally conductive coating or first on the entire Workpiece a heat-insulating coating and only in the thin areas on it a heat-conductive one Apply coating.

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.It has been shown - without an explanation can be given - that this combination of Coating leads to the best results in numerous cases.

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.As a result of the method according to the invention, the thick parts cool down more quickly than without an insulating coating. Without the insulating coating on the thick areas, the cooling rate would slow down Occurrence of the vapor film is significantly reduced. Due to the insulating coating used according to the invention In the thick areas, nucleate boiling takes place, in which the heat transfer coefficient very high and therefore the cooling rate is also high. In the method according to the invention In contrast to the state of the art and the older proposal, the cooling speeds are therefore equalized in the thin and thick areas, increasing that of the thick areas.

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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 An>chlußbereichen und in Bereichen um Bohrungen.The measure according to the invention achieves a reduction in the stresses without this at the expense of the desired properties of the entire workpiece. This is particularly important to take into account in the case of solid parts in certain connection areas and in areas around bores.

Beim Eintauchen der erfindungsgemäß vorbehandelten Werkstücke in ein Härtebad von üblicherweise 460 bis 53O⁰C - je nach Art der Legierung - beobachtet man von Beginn des Eintauchens an ein örtliches Sieden, bei dem der Wärmeübergangskoeffizient sehr hoch ist.When the workpieces pretreated according to the invention are immersed in a hardening bath of usually 460 to 53O ⁰ C - depending on the type of alloy - local boiling is observed from the beginning of the immersion, in which the heat transfer coefficient is very high.

Aus der GB-PS 9 31865 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.From GB-PS 9 31865 and FR-PS 13 93 109 is known to apply an insulating coating to workpieces before hardening in order to reduce the hardening speed to accelerate by avoiding the vapor film. These coatings all over However, the surface of the workpieces overall and not locally differentiated increases the Cure speed and do not lead to any measurable reduction in stresses.

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. The selection of products for the insulating cover is made with regard to the heat-insulating ones Properties, on temperature resistance, thermal shock resistance and adhesion to the Workpieces during application, solution annealing and hardening. Excellent results come with a Mixture of barium sulfate, titanium oxide, sodium silicate and water is achieved. You can also use a mass which is freshly made from a mixture of a cellulose-based glue, glycerin, refractory Mortar and rutile in suspension and from a mixture of "Meudon" plaster, suspended in a sodium silicate solution.

Für die leitenden Überzüge können die Pigmente beispielsweise Aluminiumpulver oder Graphitpulver oder -plättchen sein; sie werden als Suspensionen in wäßrigen cder organischen Flüssigkeiten mit guten Resultaten aufgetragen, ζ. B. mit Pinsel, oder Spritzpistole, oder durch Tauchen.For the conductive coatings, the pigments can, for example, be aluminum powder or graphite powder or be platelets; They are used as suspensions in aqueous or organic liquids with good Results plotted, ζ. B. with a brush or spray gun, or by dipping.

Es reicht ein Auftrag, dessen Dicke von einigen Zehntel Millimeter bis 1 mm bei einer viskosen Masse beträgt.All that is needed is an order with a thickness of a few tenths of a millimeter to 1 mm for a viscous mass amounts to.

example 1

Ein Körper mit einem Durchmesser von etwa 350 mm (Schnitt in Fig. 1) wurde durch Schmieden eines Knüppels aus einer Aluminiumlegierung A —U2GN (2,6% Cu, 1,55% Mg, 1,1% Fe, 1,15% Ni, 0,1% Ti) erhalten.A body with a diameter of about 350 mm (section in Fig. 1) was forged by a Knüppels made of an aluminum alloy A -U2GN (2.6% Cu, 1.55% Mg, 1.1% Fe, 1.15% Ni, 0.1% Ti) receive.

Die Form des fertigen Teils ist mit durchbrochener Linie angedeutet. Man sieht, daß die Dicke im Mittelstück von 10 mm auf 1,5 mm abgearbeitet wird.The shape of the finished part is indicated with a broken line. You can see that the thickness in Center piece is processed from 10 mm to 1.5 mm.

Wird die übliche Wärmebehandlung vorgenommen — d.h. 8h Erhitzen bei 527°C, Härten in siedendem Wasser und Warmauslagern 22 h lang bei 203⁰C — 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.Is the usual heat treatment carried out - that is, 8h heating at 527 ° C, quenching in boiling water and aging for 22 hours at 203 ⁰ C - and then machined, it is found that the center piece not flat but remains under the effect of thermal stresses is bends up or down, depending on the force applied; a bubble forms.

Wird hingegen die erfindungsgemäße Behandlung angewandt, d.h. werden die in Fig. 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 Mittelstückcs 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 35 hbar auf 38 hbar und die Zugfestigkeit von 41 hbar auf 43 hbar.On the other hand, if the treatment according to the invention is applied, i.e., those hatched in Fig. 1 become Workpiece parts are coated with a suspension of titanium oxide and barium sulfate in sodium silicate solution and the The coating is allowed to dry before the same heat treatment is applied, it is observed no deformation of the middle piece after the s Next editing. Namely, the kinking through is concentrated at the root of the ribs suppressed peripheral tension. The mechanical properties in the coated workpiece areas were also significantly improved; the yield strength increased from 35 hbar to 38 hbar and the Tensile strength from 41 hbar to 43 hbar.

Example 2

Ein Fahrgestell in Form eines quadratischen Kastens von 600 mm χ 600 mm, dessen einer Schnitt in F i g. 2 gezeigt ist, wurde aus der Aluminiumlegierung 7075 (5,8% Zn, 2,7% Mg, 1,5% Cu) hergestellt.A chassis in the form of a square box of 600 mm χ 600 mm whose one section in F i g. 2 was made from aluminum alloy 7075 (5.8% Zn, 2.7% Mg, 1.5% Cu).

Wie in Beispiel 1 wurde der Überzug auf die schraffierten Teile aufgebracht und folgendes Programm durchgeführt:As in Example 1, the coating was applied to the hatched parts and the following program accomplished:

Lösungsglühen 6 h bei 465° C, Härten in heißem Wasser, Warmauslagern 6 h bei 107°C und 8 h bei 175° C.Solution heat treatment for 6 h at 465 ° C, hardening in hot water, artificial aging for 6 h at 107 ° C and 8 h at 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:If one compares the properties of the workpieces treated in this way with those without a coating after hardening in lukewarm water, one finds:

1. Die erfindungsgemäß behandelten Werkstücke enthielten nur etwa 50 bis 60% der Spannungen der Vergleichskörper.1. The workpieces treated according to the invention contained only about 50 to 60% of the stresses of the Reference body.

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.2. The transverse breaking strength was that according to the invention treated workpieces at 44.4 to 46.6 hbar, for the reference bodies at 44.6 to 48.2 hbar. Uncoated, Workpieces hardened in hot water should have about 8 hbar less than in lukewarm water Water hardened. The differentiated coating of the workpieces according to the invention thus gives the in workpieces hardened with hot water have approximately the same tensile strength as that of the above comparison products, only that the residual stresses are about a factor of 2 lower.

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 Vergleichskörper.The values for the transverse expansion are 6 to 11% for workpieces coated according to the invention and hardened in boiling water compared to 4 to 9.5% for reference bodies hardened in lukewarm water.

Analog sind die Ergebnisse an Prüfkörpern anderer Richtung.The results on test specimens in a different direction are analogous.

Example 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 Werkstück.A drop forged rectangular workpiece of the alloy from Example 2, 350 mm × 400 mm, possessed one essentially of FIG. 2 analog cross-section. The entire surface was covered with an insulating Covered with a mixture of barium sulfate, titanium oxide and sodium silicate. Subsequently a conductive coating based on aluminum powder was applied to the thin, unhatched areas upset. A similar uncoated workpiece was used for comparison.

Beide Werkstücke wurden der gleichen Wärmebehandlung T 73 unterworfen; nämlich Lösungsglühen 6 h bei 465°C, Härten in Wasser von 60°C, Warmauslagern 6 h bei 107°Cund anschließend 8 h bei 175⁰C.Both workpieces were subjected to the same T 73 heat treatment; namely solution annealing for 6 hours at 465 ° C, quenching in water at 60 ° C, artificial aging for 6 hours at 107 ° C and then for 8 hours at 175 ⁰ C.

Vergleicht man die mechanischen Eigenschaften derComparing the mechanical properties of the

do beiden Werkstücke, so zeigt sich folgendes:do both workpieces, the following is shown:

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 Vergleichskörper waren 47 bzw. 39,7 hbar in den massiven und 50,1 bzw. 43,7 hbar in den dünnen Teilen.1. In the case of the workpieces treated according to the invention, the transverse breaking strength and yield point were on average 47.6 or 40.1 hbar in the solid parts and 50.5 or 43.9 hbar in the thin parts; the Corresponding values of the reference bodies were 47 and 39.7 hbar in the massive and 50.1 and 43.7 hbar in the the thin parts.

Die mechanischen Eigenschaften wurden somit durchThe mechanical properties were thus through

das erfindungsgemäße Verfahren praktisch nicht verändert. the method according to the invention practically does not change.

2. Wird die obere Fläche des Werkstückes bis zur horizontalen Achse (Fig. 2) abgespannt, so kommt es durch die Spannungen zu einer Deformation, die sich durch Änderungen der Seitenteile gegenüber einer2. If the upper surface of the workpiece is clamped to the horizontal axis (Fig. 2), it happens due to the stresses to a deformation, which is due to changes in the side parts compared to a

Vergleich
Hrf.-gcm.
Abnahme der
Deformationcomparison
Hrf.-gcm.
Decrease in
deformation

Bezugsebenc zeigt. Die Messungen wurden an verschiedenen Punkten des Werkstückes durchgeführt, die mit O, 1, 2, 3, 4 und 5 bezeichnet wurden. In jedem dieser Punkte für erfindiingsgemäßc und Vergleichskörper s wurde die Lageänderung der Seitenteile nach dem spanenden Bearbeiten gemessen (mm).Reference plane c shows. The measurements were carried out at different points on the workpiece, marked with O, 1, 2, 3, 4 and 5 were designated. In each of these points for inventive and comparative bodies The change in position of the side parts after machining was measured (mm).

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Claims

Patent claims:

1. Process for hardening workpieces of different material thicknesses made of aluminum alloys, for which purpose an insulating coating is applied to certain areas beforehand, thereby characterized in that to increase the cooling rate by avoiding a Vapor film at the beginning of the quenching of the insulating coating on the thickest areas of the Workpiece is applied with a maximum thickness of 1 mm.

2. The method according to claim 1, characterized in that on the very thin areas thermally conductive coating is applied.

3. Modification of the method according to claim 2, characterized in that the heat insulating Coating on the entire surface of the workpiece and on this only in the thin areas of the thermally conductive coating is applied.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that as an insulating coating applied a suspension of alkaline earth sulfates and metal oxides in an alkali silicate solution will.

5. The method according to any one of claims 2 to 4, characterized in that as a conductive coating one based on aluminum or graphite powder is applied.