EP1239054A1 - Heat treatment of hypereutectic Al-Si alloys - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for the heat treatment of a cast part a hypereutectic Al-Si alloy and a correspondingly manufactured one Casting.
- hypereutectic Alloys such as Al-Si17Cu4Mg or Al-Si18CuNiMg are used, in which above all, the formation of relatively large primary silicon crystals is desired becomes.
- a completely made of such a hypereutectic cast material Crankcase offers the advantage that after a honing and etching process the cylinder barrel is machined directly from the cast material can be.
- the primary silicon crystals emerge from the basic matrix of the cast material and thus form an ideal sliding surface with a variety of micro pockets for the lubricant.
- the invention makes use of the knowledge that crack initiation in the critical areas of the casting, such as the web area or the Bearing chair area of a crankcase, i.e. areas that do not have sliding surfaces have, by a structure refinement limited to these areas only can be avoided in which the coarse, brittle structural components of the casting in the edge zones near the surface in small, finely dispersed Phases are converted.
- This thermal structural change is based on a brief melting of the cast part surface in connection with a rapid solidification of these areas. The duration of the melting on the one hand, there should be some mixing of the alloy components enable by diffusion, but on the other hand not to significant shape changes of the original surface.
- the energy input should be such that heating of the Casting in the molten area of the primary Si crystals of it Surface to a depth of up to a millimeter; this is enough for suppression of crack formation in general and changes the Basic properties of the rest of the casting only a little.
- FIG. 3a to d are enlarged at the locations marked in FIG. 2 Excerpts from the area treated according to the invention can be seen.
- Fig. 3a shows the surface of the cast part treated according to the invention and the underlying, finely dispersed structure of a hypereutectic AI-Si alloy.
- the individual structural components, in particular the primary Si crystals are also extremely small (generally smaller than 5 ⁇ ), the fineness is even higher on the surface than in increasing Depth.
- the lower layer which is shown in Fig. 3b the structure is still very finely dispersed.
- Fig. 3c shows the transition of the invention treated area in the original, untreated Area of the casting. This limit should usually be a maximum depth not exceed a millimeter.
- the structure is below this limit remained in its original, rough state, which is shown in Figure 3d.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Gussteils aus einer übereutektischen Al-Si-Legierung sowie ein entsprechend hergestelltes Gussteil.The invention relates to a method for the heat treatment of a cast part a hypereutectic Al-Si alloy and a correspondingly manufactured one Casting.
Bei Gussteilen aus eutektischen oder untereutektischen Aluminium-Legierungen ist es seit langem bekannt, dass diese durch geeignete Wärmebehandlung ausgehärtet werden können. Das Aushärten beruht dabei auf Entmischungs- oder Ausscheidungsvorgängen übersättigter Mischkristalle und besteht im wesentlichen aus einem Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern des Gussteils. Hierdurch werden die höchsten, für Leichtmetall möglichen Festigkeitswerte erzielt. In diesem Zusammenhang sind auch kurzzeitige, lokale Glühbehandlungen bekannt (EP 1020540 A1), bei denen insbesondere großflächige, verwickelt ausgebildete Aluminium-Gussteile 10 bis 100 sec lang bei einer Temperatur von 450 bis 550 °C zur Erzielung hoher lokaler Härte und Festigkeit behandelt werden.For castings made of eutectic or hypoeutectic aluminum alloys It has long been known that this can be done through appropriate heat treatment can be cured. The curing is based on segregation or precipitation processes of supersaturated mixed crystals and exists essentially from solution annealing, quenching and aging of the casting. This ensures the highest strength values possible for light metal achieved. In this context there are also short-term, local ones Annealing treatments known (EP 1020540 A1), in which in particular large, entangled trained aluminum castings for 10 to 100 sec at one Temperature of 450 to 550 ° C to achieve high local hardness and strength be treated.
Für die Herstellung von Gussteilen mit speziellen Gleitflächen, z.B. von Kurbelgehäusen mit Zylinderlaufflächen kommen jedoch zunehmend übereutektische Legierungen wie z.B. Al-Si17Cu4Mg oder Al-Si18CuNiMg zum Einsatz, bei denen vor allem die Entstehung relativ großer primärer Siliziumkristalle gewünscht wird. Ein komplett aus einem derartigen übereutektischen Gusswerkstoff hergestelltes Kurbelgehäuse bietet den Vorteil, dass nach einem Hon- und Ätzprozess die Zylinderlauffläche direkt aus dem Gusswerkstoff herausgearbeitet werden kann. Dabei treten die primären Siliziumkristalle aus der Grundmatrix des Gusswerkstoffes hervor und bilden so eine ideale Gleitfläche mit einer Vielzahl von Mikrotaschen für das Schmiermittel. Andererseits hat es sich gezeigt, dass es gerade an den spröden, groben und scharfkantigen Gefügebestandteilen, also an den primären Siliziumkristallen und intermetallischen Phasen derartiger Gusslegierungen insbesondere an den Stellen dynamischer Lastkonzentration leicht zu einer Rissbildung kommen kann, die schnell zum Ausfall des Gussteils, also etwa des Kurbelgehäuses führen würde. Mit den für eutektische Legierungen bekannten Härtungsmethoden lässt sich die Rissbildungsgefahr an diesen Stellen nicht beseitigen.For the production of castings with special sliding surfaces, e.g. of crankcases with cylinder treads, however, are increasingly hypereutectic Alloys such as Al-Si17Cu4Mg or Al-Si18CuNiMg are used, in which above all, the formation of relatively large primary silicon crystals is desired becomes. A completely made of such a hypereutectic cast material Crankcase offers the advantage that after a honing and etching process the cylinder barrel is machined directly from the cast material can be. The primary silicon crystals emerge from the basic matrix of the cast material and thus form an ideal sliding surface with a variety of micro pockets for the lubricant. On the other hand, it has been shown that it is precisely the brittle, coarse and sharp-edged structural components, so on the primary silicon crystals and intermetallic phases of such Cast alloys, especially at the points of dynamic load concentration cracks can easily develop, which quickly lead to failure of the casting, that would lead to the crankcase. With those for eutectic Alloys known hardening methods can reduce the risk of cracking do not eliminate at these points.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Gussteils aus einer übereutektischen Al-Si-Legierung sowie ein entsprechendes Gussteil zu schaffen, welches sowohl die Ausbildung von Gleitflächen in der oben beschriebenen Weise, als auch eine deutlich verminderte Rissbildung insbesondere unter der Wirkung dynamischer Belastungen ermöglicht.It is therefore an object of the present invention to provide a method for heat treatment a casting made of a hypereutectic Al-Si alloy as well as a to create appropriate casting, which both the formation of sliding surfaces in the manner described above, as well as a significantly reduced one Crack formation especially under the effect of dynamic loads.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 sowie durch ein Gussteil nach Patentanspruch 9 gelöst.This object is achieved by a method according to claim 1 and by solved a casting according to claim 9.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass eine Risseinleitung in den kritischen Bereichen des Gussteils, wie etwa dem Stegbereich oder dem Lagerstuhlbereich eines Kurbelgehäuses, also Bereichen, die keine Gleitflächen aufweisen, durch eine nur auf diese Bereiche beschränkte Gefügeverfeinerung vermieden werden kann, bei welcher die groben, spröden Gefügebestandteile des Gussteils in den oberflächennahen Randzonen in kleine, fein dispers verteilte Phasen umgewandelt werden. Diese thermische Gefügeveränderung basiert auf einem kurzzeitigen Aufschmelzen der Gussteiloberfläche in Verbindung mit einer raschen Erstarrung dieser Bereiche. Die Dauer der Aufschmelzung sollte einerseits eine gewisse Durchmischung der Legierungsbestandteile durch Diffusion ermöglichen, andererseits aber nicht zu wesentlichen Formänderungen der ursprünglichen Oberfläche führen. In Versuchen hat sich für die meisten übereutektischen Al-Si-Legierungen und Gussformen eine Aufschmelzdauer von maximal 3 sec oberhalb der Liquidustemperatur, also etwa 650°C, als günstig erwiesen. Die rasche Erstarrung des aufgeschmolzenen Bereiches wird durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Aluminiumgusswerkstoffes unterstützt und kann durch eine zusätzliche Kühlung noch gesteigert werden. Es hat sich dabei als besonders günstig erwiesen, die Abkühlgeschwindigkeit so zu wählen, dass die Größe der entstehenden Gefügebestandteile, insbesondere der primären Si-Kristalle einen Wert von 5 µ nicht überschreitet. Weiterhin hat sich für die Wärmebehandlung ein Gleichstromschweißverfahren, also zum Beispiel die Verwendung einer Aluminium-WIG-Gleichstrom-Schutzgas-Schweißanlage ohne Zusatzwerkstoff als vorteilhaft erwiesen. Hiermit lassen sich relativ kleinflächige Bereiche des Gussteils in kurzer Zeit mit einem ausreichend hohen Energieeintrag erwärmen, so dass lediglich eine oberflächennahe Schicht aufgeschmolzen und bei der Abschreckung in die oben beschriebene, fein dispers verteilte Phase umgewandelt wird. Außerdem bietet dieses Schweißverfahren durch den lokal hohen Energieeintrag und die hohe Abkühlgeschwindigkeit eine geringe Neigung zu Poren, Warm- und Kaltrissen sowie eine kleine Wärmeeinflusszone, so dass die positiven Eigenschaften der Oberfläche nicht durch entfestigende Mechanismen wieder reduziert werden. Der Energieeintrag sollte dabei so bemessen sein, dass eine Erwärmung des Gussteils in den schmelzflüssigen Bereich der primären Si-Kristalle von dessen Oberfläche bis in eine Tiefe von maximal einem Millimeter erfolgt; dies reicht für eine Unterdrückung der Rissbildung im allgemeinen aus und verändert die Grundeigenschaften des übrigen Gussteils nur wenig.The invention makes use of the knowledge that crack initiation in the critical areas of the casting, such as the web area or the Bearing chair area of a crankcase, i.e. areas that do not have sliding surfaces have, by a structure refinement limited to these areas only can be avoided in which the coarse, brittle structural components of the casting in the edge zones near the surface in small, finely dispersed Phases are converted. This thermal structural change is based on a brief melting of the cast part surface in connection with a rapid solidification of these areas. The duration of the melting on the one hand, there should be some mixing of the alloy components enable by diffusion, but on the other hand not to significant shape changes of the original surface. In trials has been for Most hypereutectic Al-Si alloys and molds have a melting time of a maximum of 3 seconds above the liquidus temperature, i.e. approximately 650 ° C, proven to be cheap. The rapid solidification of the melted area is due to the high thermal conductivity of the cast aluminum material supported and can be increased by additional cooling. The cooling rate has proven to be particularly favorable to be chosen so that the size of the resulting structural components, in particular of the primary Si crystals does not exceed 5 µ. Farther has a direct current welding process for heat treatment, i.e. for Example using an aluminum TIG direct current shielding gas welding system proven to be advantageous without filler material. Let her be relatively small areas of the casting in a short time with a sufficient heat high energy input, so that only a surface Melted layer and when quenched into the above, finely dispersed phase is converted. This also offers Welding process due to the locally high energy input and the high cooling rate a low tendency to pores, hot and cold cracks as well a small heat affected zone, so that the positive properties of the surface not be reduced again by softening mechanisms. The The energy input should be such that heating of the Casting in the molten area of the primary Si crystals of it Surface to a depth of up to a millimeter; this is enough for suppression of crack formation in general and changes the Basic properties of the rest of the casting only a little.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Querschnitt durch ein Kurbelgehäuse aus einer übereutektischen Al-Si-Legierung;
- Fig. 2
- ein Schliffbild eines Gussteils gemäß Fig. 1 im Bereich einer lokalen Wärmebehandlung; und
- Fig. 3a bis d
- Schliffbilder des Gussteils in unterschiedlichen Tiefen des in Fig. 2 dargestellten Bereiches.
- Fig. 1
- a cross section through a crankcase made of a hypereutectic Al-Si alloy;
- Fig. 2
- a micrograph of a casting according to FIG 1 in the area of a local heat treatment. and
- 3a to d
- Cross section of the casting at different depths of the area shown in FIG. 2.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Querschnitt durch ein Kurbelgehäuse aus einer übereutektischen Al-Si-Legierung sind einige kritische Stellen A, B, C im Lagerstuhlbereich markiert, an denen es bei dynamischen Belastungen vermehrt zu einer Rissbildung kommen kann. Diese Stellen werden nun erfindungsgemäß mit einem Aluminium-WIG-Gleichstrom-Schutzgas-Schweißverfahren behandelt, wobei die Oberfläche an den kritischen Bereichen kurzzeitig bis in den schmelzflüssigen Bereich der primären Si-Kristalle erwärmt und dann abgeschreckt wird. Die sich dadurch ergebende Gefügeveränderung ist in einem Schliffbild in Fig. 2 dargestellt. Man sieht schon hier, dass in einem oberflächennahen Bereich F, der im dargestellten Labormuster tiefer als in den meisten Fällen notwendig ist, das grobe Gefüge der Grundmatrix G verschwunden und nur noch eine fein dispers verteilte Phase zu erkennen ist.In the cross section shown in Fig. 1 through a crankcase from a Hypereutectic Al-Si alloy are some critical points A, B, C in the camp chair area marked, where it increases with dynamic loads cracking can occur. These places are now according to the invention treated with an aluminum TIG direct current shielding gas welding process, the surface of the critical areas briefly into the melted the molten area of the primary Si crystals and then quenched becomes. The resulting structural change is in one Cross section shown in Fig. 2. You can already see that in a near surface Area F, which in the laboratory pattern shown is deeper than most If necessary, the rough structure of the basic matrix G has disappeared and only a finely dispersed phase can be seen.
In den Fig. 3a bis d sind nun an den in Fig. 2 markierten Stellen vergrößerte Ausschnitte aus dem erfindungsgemäß behandelten Bereich zu sehen. In Fig. 3a erkennt man die Oberfläche des erfindungsgemäß behandelten Gussteils sowie das darunter liegende, fein dispers verteilte Gefüge einer übereutektischen AI-Si-Legierung. Die einzelnen Gefügebestandteile, insbesondere auch die primären Si-Kristalle sind extrem klein (im allgemeinen kleiner als 5 µ), wobei die Feinheit unmittelbar an der Oberfläche sogar höher ist als in zunehmender Tiefe. In der tiefer liegenden Schicht, die in Fig. 3b dargestellt ist, ist das Gefüge immer noch sehr fein dispers verteilt. Erst in der wiederum tiefer liegenden, in Fig. 3c dargestellten Schicht erkennt man den Übergang des erfindungsgemäß behandelten Bereichs in den ursprünglichen, unbehandelten Bereich des Gussteils. Diese Grenze sollte in der Regel eine Tiefe von maximal einem Millimeter nicht überschreiten. Unterhalb dieser Grenze ist das Gefüge in seinem ursprünglichen, groben Zustand geblieben, was in Figur 3d gezeigt ist.3a to d are enlarged at the locations marked in FIG. 2 Excerpts from the area treated according to the invention can be seen. In Fig. 3a shows the surface of the cast part treated according to the invention and the underlying, finely dispersed structure of a hypereutectic AI-Si alloy. The individual structural components, in particular the primary Si crystals are also extremely small (generally smaller than 5 µ), the fineness is even higher on the surface than in increasing Depth. In the lower layer, which is shown in Fig. 3b the structure is still very finely dispersed. Only in the deeper again lying layer shown in Fig. 3c shows the transition of the invention treated area in the original, untreated Area of the casting. This limit should usually be a maximum depth not exceed a millimeter. The structure is below this limit remained in its original, rough state, which is shown in Figure 3d.
Claims (9)
das Gussteil in einem lokalen Bereich hoher mechanischer Betriebsspannungskonzentration kurzzeitig bis in den schmelzflüssigen Bereich der primären Si-Kristalle erwärmt und dann abgeschreckt wird.Process for the heat treatment of a casting made of a hypereutectic Al-Si alloy, characterized in that
the casting is briefly heated in a local area of high mechanical operating voltage concentration up to the molten area of the primary Si crystals and then quenched.
die Erwärmung des Gussteils in den schmelzflüssigen Bereich der primären Si-Kristalle an dessen Oberfläche bis in eine Tiefe von maximal 1 mm erfolgt.A method according to claim 1, characterized in that
the casting is heated in the molten area of the primary Si crystals on its surface to a depth of no more than 1 mm.
der schmelzflüssige Bereich für eine Dauer von maximal 3 sec aufrechterhalten wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that
the molten area is maintained for a maximum of 3 seconds.
die Wärmebehandlung unter Schutzgas erfolgt.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that
the heat treatment takes place under protective gas.
die Wärmeabfuhr zur Abschreckung des lokal wärmebehandelten Gussteilbereiches über das diesen Bereich umgebende Gussteilmaterial erfolgt. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that
the heat is dissipated to quench the locally heat-treated cast part area via the cast part material surrounding this area.
die Abkühlgeschwindigkeit des lokal erwärmten Bereiches derart eingestellt wird, dass die Größe der aus der Schmelze entstehenden Gefügebestandteile, insbesondere der primären Si-Kristalle einen Wert von 5 µ nicht überschreitet.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that
the cooling rate of the locally heated area is set in such a way that the size of the structural components resulting from the melt, in particular the primary Si crystals, does not exceed a value of 5 μ.
das Gussteil zumindest in dem lokal zu erwärmenden Bereich aus einer Al-Si17Cu4Mg- oder Al-Si18CuNiMg-Legierungen hergestellt wird.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that
the casting is made at least in the area to be heated locally from an Al-Si17Cu4Mg or Al-Si18CuNiMg alloy.
die Größe der Gefügebestandteile, insbesondere der primären Si-Kristalle zumindest an der Oberfläche eines lokalen Bereiches hoher mechanischer Betriebsspannungskonzentration wesentlich geringer als in den übrigen Bereichen des Gussteils ist.Casting from a hypereutectic Al-Si alloy, characterized in that
the size of the structural components, in particular of the primary Si crystals, is at least on the surface of a local area of high mechanical operating stress concentration much smaller than in the other areas of the cast part.
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