EP1727920A1 - Uphill method for the heat treatment and reduction of internal stresses of cast parts produced from a light metal melt ,especially an aluminium melt - Google Patents

Uphill method for the heat treatment and reduction of internal stresses of cast parts produced from a light metal melt ,especially an aluminium melt

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EP1727920A1
EP1727920A1 EP05716282A EP05716282A EP1727920A1 EP 1727920 A1 EP1727920 A1 EP 1727920A1 EP 05716282 A EP05716282 A EP 05716282A EP 05716282 A EP05716282 A EP 05716282A EP 1727920 A1 EP1727920 A1 EP 1727920A1
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EP
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melt
temperature
cast parts
low temperature
heat treatment
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05716282A
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Inventor
Franz Josef Feikus
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Hydro Aluminium Deutschland GmbH
Original Assignee
Hydro Aluminium Deutschland GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/043—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with silicon as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/34—Methods of heating
    • C21D1/44—Methods of heating in heat-treatment baths
    • C21D1/46—Salt baths
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/04—Hardening by cooling below 0 degrees Celsius

Definitions

  • the invention relates to a method for the heat treatment of cast parts produced from a light metal melt, in particular an aluminum melt.
  • High strengths of light metal materials can be obtained by selecting a suitable alloy, which is subjected to heat treatment after casting.
  • a suitable alloy which is subjected to heat treatment after casting.
  • T6 / T7 heat treatment there is the possibility of considerably increasing the strength level using a so-called T6 / T7 heat treatment.
  • the maximum increase potential exists when the castings are quenched after a solution heat treatment in a water bath and then stored warm.
  • the advantages of water quenching are offset by the decisive disadvantage that high residual stresses can occur, particularly when quenching complex-shaped components. These residual stresses mean that the quenched component has increased strengths, but that these strengths are eliminated by the disadvantages caused by the residual stresses or even exceeded by the disadvantages.
  • the component cooled to low temperature is suddenly raised to a high temperature in accordance with the known method.
  • the cold component is exposed to a hot steam jet or immersed in a hot water bath.
  • the surface layer heats up while the core area remains cold.
  • the outer regions are subjected to compressive stresses as a result of the heating, which are exactly the opposite of the compressive stresses which arise as a result of the quenching.
  • the sudden reheating after the low-temperature cooling represents a reversal of the quenching process both with regard to the measures carried out and with regard to the stresses occurring in the component.
  • Light metal melt in particular an aluminum melt, produced castings, in which the cast part is quenched after an annealing treatment or from the casting heat, cooled to a low temperature after the quenching and, following the low-temperature cooling, is suddenly heated to a high temperature by being placed in a Salt melt is immersed, the temperature of which is above the boiling point of water at normal pressure.
  • the invention is based on the idea of improving the low start-up effectiveness of the water vapor used in the prior art for this purpose by using a molten salt for rapid heating.
  • the advantage of the use of molten salt according to the invention is that such a melt can be heated to temperatures which are well above the boiling point of water at normal pressure. This way, molten salts can be easily heated to temperatures of 150 ° C and more. Salt melt temperatures of 250 ° C and more can be set in order to achieve the greatest possible temperature difference between the low temperature and the melt bath temperature.
  • molten salt as a medium for heat transfer during the sudden startle-up is that the heat transfer between a molten salt and the respective cast piece is significantly better than in the prior art, in which the cast part only contains water vapor has been suspended. In addition, despite their significantly higher temperatures, molten salts can be controlled much better than water vapor.
  • the temperature gradient essential for the success of the entire heat treatment process can be significantly improved compared to that achieved in the prior art.
  • a high temperature gradient produces a fundamentally higher compensation for the residual stresses present in the respective casting after quenching.
  • the invention not only provides a cost-effective and safe method for heat treatment of castings, but this method also leads to castings that have improved properties compared to the parts produced according to the prior art.
  • high-quality components made of light metal, in particular aluminum can be produced with the method according to the invention even if these cast parts have a particularly complex, finely structured shape, as is the case, for example, with cylinder heads for internal combustion engines.
  • the invention can be applied regardless of how the respective cast part has been quenched. However, it proves to be particularly effective when the castings have been quenched in a manner known per se with the aid of water or a comparably intensive quenching agent.
  • the low temperature is less than -180 C. C. This can be accomplished by immersing the quenched cast part in liquid nitrogen, which has a temperature of approx. -196 ° C at normal pressure, to cool down to the low temperature.
  • molten salt is heated to at least 150 ° C., in particular to at least 250 ° C., in order to support the effect of the temperature differences between the deep-freeze bath and the deep-freeze bath.
  • the salt concentration of the salt melt used according to the invention is preferably at least 98% by weight, so that high bath temperatures can be safely reached and an equally high thermal conductivity of the melt with respect to the cast part treated in each case is ensured.
  • Preferred salts are nitrates and / or chromates, in particular alkali metal or alkaline earth metal nitrates and chromates, such as NaN0 3 , KN0 3 or Na 2 CrO, j.
  • the cylinder heads were immersed in a molten salt bath at more than 250 ° C., 52% by weight of NaN0 3 , 46.4% by weight of KN0 3 , 1.3% by weight of N0 2 and 0.24% by weight consisted of Na 2 Cr0 4 .
  • the cylinder heads which had been so startled from the low temperature to the high temperature, were cooled to room temperature by being rinsed with water. This served to safely rinse off the salt residues adhering to the cylinder heads.
  • the startled cylinder heads were cooled to room temperature in still air for a significantly longer period of time.
  • Diag. 1 shows the course of the temperature T of the castings during the heat treatment according to the invention, plotted over time.
  • the residual stresses of the cylinder heads could be reduced to one dimension can be reduced, which comes close to that which can only be achieved with conventional procedures if, after the annealing treatment, the water is not quenched but cooled relatively slowly in air.
  • Diag. 2 shows this success of the method according to the invention.
  • stress residual stresses
  • This value is in Diag. 2 represented by the column "air”.
  • the components slowly cooled in air after the annealing treatment have only low strengths. If quenching takes place in water after the annealing treatment, the level of residual stresses in cylinder heads, which are conventionally cooled only to 60 ° C in water without subsequent low-temperature start-up heating, is 103 MPa.
  • the relevant value is in the Diag. 2 represented by the column "water60".
  • the invention thus makes it possible to utilize the advantages of quenching which occurs at a high cooling rate, namely the increase in the strength of the respective cast part, without having to put up with large residual stresses.
  • the components obtained have high strength with minimized residual stresses and are therefore able to withstand the highest loads in practical operation.

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Abstract

The invention relates to a method for the heat treatment of cast parts produced from a light metal melt, especially an aluminium melt, whereby internal stresses of cast parts formed in a complex manner can be especially effectively eliminated, and said method can be implemented in an economical manner and in such a way that it is efficient in terms of belt production. To this end, the respective cast part is quenched following an annealing process or from the casting heat, cooled to a low temperature, and then suddenly heated to a high temperature by being immersed in a salt melt at a temperature above the boiling temperature of water at a normal pressure.

Description

"UP-HILL" - VERFAHREN ZUR WÄRMEBEHANDLUNG UND ZUR REDUZIERUNG VON EIGENSPANNUNGE N VON AUS EINER LEICHTMETALLSCHMELZE, INSBESONDERE EINER ALUMINIUMSCHMELZE, ERZE UGTEN GUSSTEILEN"UP-HILL" - METHOD FOR HEAT TREATMENT AND FOR REDUCING THE INTERNAL TENSIONS FROM A LIGHT METAL MELT, IN PARTICULAR AN ALUMINUM MELT, ORGED CAST PARTS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Warmebehandeln von aus einer Leichtmetallschmelze, insbesondere einer Alumimumschmelze, erzeugten Gussteilen.The invention relates to a method for the heat treatment of cast parts produced from a light metal melt, in particular an aluminum melt.
Von im praktischen Einsatz hochbelasteten, aus Leichtmetallen erzeugten Gussteilen werden maximale Festigkeiten gefordert. Dies gilt insbesondere für aus Aluminium gefertigte Zylinderkopfe von Verbrennungsmotoren, die insbesondere bei Dieselmotoren aufgrund der immer hoher werdenden Zunddrucke im praktischen Betrieb erheblichen Belastungen ausgesetzt sind.Maximum strengths are required of castings made from light metals that are highly stressed in practical use. This applies in particular to cylinder heads of internal combustion engines made of aluminum, which are exposed to considerable loads in practical operation, particularly in the case of diesel engines, due to the ever increasing ignition pressure.
Hohe Festigkeiten von Leichtmetallwerkstoffen können durch Auswahl einer geeigneten Legierung erhalten werden, die nach dem Vergießen einer Wärmebehandlung unterzogen werden. So besteht beispielsweise bei aushartbaren Aluminiumlegierungen die Möglichkeit, durch Anwendung einer so genannten T6/T7-Warmebehandlung das Festigkeitsniveau beträchtlich anzuheben. Das maximale Steigerungspotential besteht dabei dann, wenn die Gussstucke nach einer Losungsgluhbehandlung im Wasserbad abgeschreckt und anschließend warm ausgelagert werden. Den Vorzügen der Wasserabschreckung steht allerdings der entscheidende Nachteil gegenüber, dass sich insbesondere bei der Abschreckung von komplex geformten Bauteilen hohe Eigenspannungen einstellen können. Diese Eigenspannungen führen dazu, dass das abgeschreckte Bauteil zwar erhöhte Festigkeiten aufweist, dass diese Festigkeiten jedoch durch die durch die Eigenspannungen verursachten Nachteile aufgehoben oder von den Nachteilen gar übertroffen werden.High strengths of light metal materials can be obtained by selecting a suitable alloy, which is subjected to heat treatment after casting. For example, in the case of hardenable aluminum alloys, there is the possibility of considerably increasing the strength level using a so-called T6 / T7 heat treatment. The maximum increase potential exists when the castings are quenched after a solution heat treatment in a water bath and then stored warm. However, the advantages of water quenching are offset by the decisive disadvantage that high residual stresses can occur, particularly when quenching complex-shaped components. These residual stresses mean that the quenched component has increased strengths, but that these strengths are eliminated by the disadvantages caused by the residual stresses or even exceeded by the disadvantages.
Um den mit der Abschreckung verbundenen Nachteilen abzuhelfen, ist im Artikel "Uphill quenching of aluminium: rebirth of a little-known process" von T. Coucher, veröffentlicht in Heat Treating/ October 1983, Seite 30 ff., eine thermische Nachbehandlung vorgeschlagen worden, bei der die Gussteile nach dem Abschrecken in ein Bad aus flüssigem Stickstoff getaucht werden, dessen Temperatur bei etwa -196 °C liegt. Bei dieser Tieftemperatur werden sie solange gehalten, bis sich in dem Gussteil eine homogene Temperaturverteilung eingestellt hat.In order to remedy the disadvantages associated with deterrence, a thermal aftertreatment has been proposed in the article "Uphill quenching of aluminum: rebirth of a little-known process" by T. Coucher, published in Heat Treating / October 1983, page 30 ff. in which the castings, after quenching, are immersed in a bath of liquid nitrogen, the temperature of which is around -196 ° C. At this low temperature, they are held until a homogeneous temperature distribution is established in the casting.
Sobald die homogene Temperaturverteilung erreicht ist, wird gemäß dem bekannten Verfahren das auf Tieftemperatur gekühlte Bauteil plötzlich auf eine hohe Temperatur hochgeschreckt. Für dieses Hochschrecken wird das kalte Bauteil einem heißen Wasserdampfstrahl ausgesetzt oder in ein heißes Wasserbad getaucht.As soon as the homogeneous temperature distribution is reached, the component cooled to low temperature is suddenly raised to a high temperature in accordance with the known method. For this start-up, the cold component is exposed to a hot steam jet or immersed in a hot water bath.
Durch das Hochschrecken auf die hohe Temperatur wird ein Ausgleich des Spannungsprofils bewirkt, das sich beim Abschrecken des Gussteils eingestellt hat. Dieser Effekt lässt sich dadurch erklären, dass sich beim Abschrecken ausgehend vom Kern des Gussteils in Richtung der Außenbereiche ein abfallender Temperaturgradient aufbaut. Aufgrund des Bestrebens der Randschicht, sich in Folge der Abkühlung zusammenzuziehen, kommt es dabei zu erheblichen Druckspannungen zwischen den Randschichten und der Kernzone des Gussstücks.As a result of the start-up to the high temperature, an equalization of the stress profile is achieved which has occurred when the cast part has been quenched. This effect can be explained by the fact that a decreasing temperature gradient builds up during quenching, starting from the core of the cast part in the direction of the outer regions. Due to the attempt of the surface layer to contract as a result of the cooling, there is considerable compressive stress between the surface layers and the core zone of the casting.
Wird das Gussteil auf Tieftemperatur gekühlt und anschließend plötzlich wieder erwärmt, so erhitzt sich die Randschicht, während der Kernbereich weiterhin kalt bleibt. Da der Kern ihre Ausdehnung behindert, werden die Außenbereiche in Folge der Erwärmung unter Druckspannungen gesetzt, die genau umgekehrt zu den Druckspannungen sind, die sich als Resultat der Abschreckung einstellen. Die plötzliche Wiedererwärmung nach der Tieftemperaturabkuhlung stellt als solche folglich eine Umkehr des Abschreckprozesses sowohl hinsichtlich der durchgeführten Maßnahmen als auch hinsichtlich der eintretenden Spannungen im Bauteil dar.If the casting is cooled to low temperature and then suddenly heated again, the surface layer heats up while the core area remains cold. As the core hinders their expansion, the outer regions are subjected to compressive stresses as a result of the heating, which are exactly the opposite of the compressive stresses which arise as a result of the quenching. As such, the sudden reheating after the low-temperature cooling represents a reversal of the quenching process both with regard to the measures carried out and with regard to the stresses occurring in the component.
Praktische Versuche zeigen, dass sich mit dem bekannten Uphill-Quenching-Verfahren zwar Gussteile herstellen lassen, deren Eigenspannungen gegenüber lediglich konventionell abgeschreckten Gussteilen verbessert sind. Allerdings erweist sich diese Vorgehensweise insbesondere für die großtechnische Serienfertigung als zu wenig effektiv.Practical tests show that castings can be produced using the known uphill quenching process, the residual stresses of which are improved compared to conventionally quenched castings. However, this approach proves to be insufficiently effective, especially for large-scale series production.
Ausgehend von dem voranstehend erläuterten Stand der Technik bestand daher die Aufgabe darin, ein Verfahren zu schaffen, mit dem sich Eigenspannungen von komplex geformten Gussstücken besonders wirkungsvoll beseitigen lassen und das gleichzeitig kostengünstig und effizient im Rahmen der Serienfertigung einsetzbar ist. Diese Aufgabe ist ausgehend von dem voranstehend erläuterten Stand der Technik erfindungsgemaß durch ein Verfahren zum Warmebehandeln von aus einerOn the basis of the prior art explained above, the task was therefore to create a method with which residual stresses of complexly shaped castings can be removed particularly effectively and which can also be used inexpensively and efficiently in the course of series production. Starting from the above-described prior art, this object is achieved according to the invention by a method for the heat treatment of from one
Leichtmetallschmelze, insbesondere einer Alumimumschmelze, erzeugten Gussteilen, gelost worden, bei dem das Gussteil nach einer Gluhbehandlung oder aus der Gießhitze abgeschreckt, nach der Abschreckung auf eine Tieftemperatur abgekühlt und im Anschluss an die Tieftemperaturabkuhlung plötzlich auf eine hohe Temperatur erwärmt wird, indem es in eine Salzschmelze eingetaucht wird, deren Temperatur oberhalb der Siedetemperatur von Wasser bei Normaldruck liegt .Light metal melt, in particular an aluminum melt, produced castings, in which the cast part is quenched after an annealing treatment or from the casting heat, cooled to a low temperature after the quenching and, following the low-temperature cooling, is suddenly heated to a high temperature by being placed in a Salt melt is immersed, the temperature of which is above the boiling point of water at normal pressure.
Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, die nur geringe Hochschreck-Wirksamkeit des im Stand der Technik für diesen Zweck eingesetzten Wasserdampfs durch Verwendung von einer Salzschmelze für die schnelle Erwärmung zu verbessern. Der Vorteil der erfindungsgemaßen Verwendung von Salzschmelze besteht darin, dass eine solche Schmelze auf Temperaturen erwärmt werden kann, die deutlich über dem Siedepunkt von Wasser bei Normaldruck liegen. So lassen sich Salzschmelzen problemlos auf Temperaturen von 150 °C und mehr erwarmen. So können Salzschmelzentemperaturen von 250 °C und mehr eingestellt werden, um eine möglichst große Temperaturdifferenz zwischen der Tieftemperatur und der Schmelzenbadtemperatur zu erreichen.The invention is based on the idea of improving the low start-up effectiveness of the water vapor used in the prior art for this purpose by using a molten salt for rapid heating. The advantage of the use of molten salt according to the invention is that such a melt can be heated to temperatures which are well above the boiling point of water at normal pressure. This way, molten salts can be easily heated to temperatures of 150 ° C and more. Salt melt temperatures of 250 ° C and more can be set in order to achieve the greatest possible temperature difference between the low temperature and the melt bath temperature.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Salzschmelze als Medium zur Wärmeübertragung wahrend des plötzlich erfolgenden Hochschreckens besteht darin, dass der Wärmeübergang zwischen einer Salzschmelze und dem jeweiligen Gussstuck deutlich besser ist als beim Stand der Technik, bei dem das Gussteil lediglich Wasserdampf ausgesetzt worden ist. Hinzu kommt, dass sich Salzschmelzen trotz ihrer deutlich höheren Temperaturen wesentlich besser beherrschen lassen als Wasserdampf.Another advantage of using molten salt as a medium for heat transfer during the sudden startle-up is that the heat transfer between a molten salt and the respective cast piece is significantly better than in the prior art, in which the cast part only contains water vapor has been suspended. In addition, despite their significantly higher temperatures, molten salts can be controlled much better than water vapor.
Im Ergebnis lässt sich durch das erfindungsgemäß im Salzschmelzenbad erfolgende Hochschrecken der zuvor auf eine Tieftemperatur angekühlten Gussteile der für den Erfolg des gesamten Wärmebehandlungsprozesses wesentliche Temperaturgradient deutlich gegenüber dem beim Stand der Technik erreichten verbessern. Ein hoher Temperaturgradient erzeugt eine grundsätzlich höhere Kompensation der nach dem Abschrecken im jeweiligen Gussteil vorhandenen Eigenspannungen .As a result, as a result of the start-up of the cast parts previously cooled to a low temperature in the molten salt bath according to the invention, the temperature gradient essential for the success of the entire heat treatment process can be significantly improved compared to that achieved in the prior art. A high temperature gradient produces a fundamentally higher compensation for the residual stresses present in the respective casting after quenching.
Somit steht mit der Erfindung nicht nur ein kostengünstig und sicher durchführbares Verfahren zum Wärmebehandeln von Gussstücken zur Verfügung, sondern dieses Verfahren führt auch noch zu Gussteilen, die gegenüber den nach dem Stand der Technik produzierten Stücken verbesserte Eigenschaften besitzen. So lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren qualitativ hochwertige Bauteile aus Leichtmetall, insbesondere Aluminium, auch dann erzeugen, wenn diese Gussteile eine besonders komplexe, fein strukturierte Form aufweisen, wie es beispielsweise bei Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren der Fall ist.Thus, the invention not only provides a cost-effective and safe method for heat treatment of castings, but this method also leads to castings that have improved properties compared to the parts produced according to the prior art. Thus, high-quality components made of light metal, in particular aluminum, can be produced with the method according to the invention even if these cast parts have a particularly complex, finely structured shape, as is the case, for example, with cylinder heads for internal combustion engines.
Grundsätzlich kann die Erfindung unabhängig davon angewendet werden, wie das jeweilige Gussteil abgeschreckt worden ist. Besonders wirkungsvoll erweist es sich jedoch dann, wenn die Gussteile in an sich bekannter Weise mit Hilfe von Wasser oder einem vergleichbar intensiv wirkenden Abschreckmittel abgeschreckt worden sind. Im Hinblick darauf, dass möglichst große Differenzen zwischen der Tieftemperatur angestrebt werden, auf die die Gussteile nach dem Abschrecken abgekühlt werden, und der Hochschrecktemperatur des Salzschmelzenbades, in dem die tiefgekühlten Gussteile hochgeschreckt werden, ist es günstig, wenn die Tieftemperatur weniger als -180 CC beträgt. Dies lässt sich dadurch bewerkstelligen, dass das abgeschreckte Gussteil zum Abkühlen auf die Tieftemperatur in flüssigen Stickstoff getaucht wird, welcher bei Normaldruck eine Temperatur von ca. -196 °C besitzt.In principle, the invention can be applied regardless of how the respective cast part has been quenched. However, it proves to be particularly effective when the castings have been quenched in a manner known per se with the aid of water or a comparably intensive quenching agent. In view of the fact that the greatest possible differences are sought between the low temperature to which the cast parts are cooled after quenching and the start-up temperature of the molten salt bath in which the frozen cast parts are startled, it is advantageous if the low temperature is less than -180 C. C. This can be accomplished by immersing the quenched cast part in liquid nitrogen, which has a temperature of approx. -196 ° C at normal pressure, to cool down to the low temperature.
Eine andere, voranstehend bereits angedeutete Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Salzschmelze auf mindestens 150 °C, insbesondere auf mindestens 250 °C erwärmt ist, um die Wirkung der zwischen dem Tiefkühl- und dem Hochschreckbad bestehenden Temperaturdifferenzen zu unterstützen .Another embodiment of the invention, already indicated above, provides that the molten salt is heated to at least 150 ° C., in particular to at least 250 ° C., in order to support the effect of the temperature differences between the deep-freeze bath and the deep-freeze bath.
Die Salzkonzentration der erfindungsgemäß verwendeten Salzschmelze beträgt bevorzugt mindestens 98 Gew.- , damit hohe Badtemperaturen sicher erreicht werden und eine ebenso hohe Wärmeleit ähigkeit der Schmelze in Bezug auf das jeweils behandelte Gussteil gewährleistet ist. Dabei werden als Salze bevorzugt Nitrate und / oder Chromate, insbesondere Alkali- oder Erdalkalimetallnitrate und -chromate, ,wie NaN03, KN03 oder Na2CrO,j .The salt concentration of the salt melt used according to the invention is preferably at least 98% by weight, so that high bath temperatures can be safely reached and an equally high thermal conductivity of the melt with respect to the cast part treated in each case is ensured. Preferred salts are nitrates and / or chromates, in particular alkali metal or alkaline earth metal nitrates and chromates, such as NaN0 3 , KN0 3 or Na 2 CrO, j.
Praktische Versuche an aus einer AlSi7MgCu0,5 Aluminiumlegierung gegossenen Zylinderköpfen haben die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens eindrucksvoll bestätigt . Die Zylinderköpfe wurden nach eine vorangegangenen Glühbehandlung von einer 520 °C betragenden Temperatur in Wasser auf ca. 60 °C abgekühlt. Nach einer kurzen Ruhephase an Luft erfolgte eine Tieftemperaturabkuhlung in flüssigem Stickstoff bei einer Tieftemperatur von -196 °C. Die Kühlzeit war dabei so lang, dass eine homogene, gleichmäßige Temperaturverteilung in dem jeweiligen Zylinderkopf vorlag. Sobald dieser Zustand erreicht war, erfolgte eine plötzliche Aufheizung auf ca. 240 °C.Practical tests on cylinder heads cast from an AlSi7MgCu0.5 aluminum alloy have impressively confirmed the effectiveness of the method according to the invention. After a previous annealing treatment, the cylinder heads were cooled from a temperature in water of 520 ° C. to approximately 60 ° C. After a brief period of rest in air, low-temperature cooling took place in liquid nitrogen at a low temperature of -196 ° C. The cooling time was so long that there was a homogeneous, even temperature distribution in the respective cylinder head. As soon as this state was reached, there was a sudden heating to approx. 240 ° C.
Dazu wurden die Zylinderköpfe in ein mehr als 250 °C heißes Salzschmelzenbad getaucht, das zu 52 Gew.-% aus NaN03, zu 46,4 Gew.-% aus KN03, zu 1,3 Gew.-% aus N02 und zu 0,24 Gew.-% aus Na2Cr04 bestand. Bei einem ersten Versuchsablauf wurden die auf diese Weise von der Tieftemperatur auf die hohe Temperatur aufgeschreckten Zylinderköpfe auf Raumtemperatur abgekühlt, in dem sie mit Wasser überspült worden sind. Dies diente dazu, die auf den Zylinderköpfen haftenden Salzreste sicher abzuspülen. In einer zweiten Versuchsdurchführung wurden die aufgeschreckten Zylinderköpfe in deutlich längerer Zeit an ruhender Luft auf Raumtemperatur gekühlt.For this purpose, the cylinder heads were immersed in a molten salt bath at more than 250 ° C., 52% by weight of NaN0 3 , 46.4% by weight of KN0 3 , 1.3% by weight of N0 2 and 0.24% by weight consisted of Na 2 Cr0 4 . In a first test run, the cylinder heads, which had been so startled from the low temperature to the high temperature, were cooled to room temperature by being rinsed with water. This served to safely rinse off the salt residues adhering to the cylinder heads. In a second experiment, the startled cylinder heads were cooled to room temperature in still air for a significantly longer period of time.
Diag. 1 zeigt den Verlauf der Temperatur T der Gussstücke bei der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung aufgetragen über die Zeit. Dabei ist der Versuchsverlauf, bei dem die Abkühlung der aufgeschreckten Zylinderköpfe mit Wasser erfolgte mit "Uphill + water" gekennzeichnet, während der Versuchsverlauf, bei dem die abschließende Abkühlung mit Luft erfolgte, mit "Uphill + air" markiert ist.Diag. 1 shows the course of the temperature T of the castings during the heat treatment according to the invention, plotted over time. The course of the experiment, in which the frightened cylinder heads were cooled with water, is marked with "Uphill + water", while the course of the experiment, in which the final cooling was carried out with air, is marked with "Uphill + air".
Durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahrensweise konnten die Eigenspannungen der Zylinderköpfe auf ein Maß reduziert werden, das dem nahe kommt, welches bei konventionellem Vorgehen nur dann erreicht wird, wenn nach der Glühbehandlung nicht in Wasser abgeschreckt, sondern verhältnismäßig langsam an Luft abgekühlt wird.By using the procedure according to the invention, the residual stresses of the cylinder heads could be reduced to one dimension can be reduced, which comes close to that which can only be achieved with conventional procedures if, after the annealing treatment, the water is not quenched but cooled relatively slowly in air.
Diag. 2 zeigt diesen Erfolg des erfindungsgemäßen Verfahrens . Bei Abkühlung an Luft nach der Glühbehandlung werden Eigenspannungen ("Stress") im Bereich von lediglich 21 MPa erreicht. Dieser Wert ist in Diag. 2 durch die Säule "air" dargestellt. Allerdings weisen die nach der Glühbehandlung langsam an Luft abgekühlten Bauteile nur geringe Festigkeiten auf. Erfolgt nach der Glühbehandlung eine Abschreckung in Wasser, so liegt das Niveau der Eigenspannungen bei Zylinderköpfen, die in konventioneller Weise lediglich in Wasser auf 60 °C ohne anschließende Tieftemperatur-Aufschreckerwärmung abgekühlt werden, bei 103 MPa. Der betreffende Wert ist im Diag. 2 durch die Säule "water60" repräsentiert. Erfolgt dagegen nach dem Abschrecken in Wasser die voranstehend erläuterte erfindungsgemäße Wärmebehandlung, so liegen in dem Fall, dass nach dem Aufschrecken auf 240 °C eine Abkühlung mit Wasser durchgeführt wird, Eigenspannungen im Bereich von 42 MPa vor (Säule "uphill + water" in Diag. 2) . Eine noch bessere Verminderung der Eigenspannungen wird erzielt, wenn die Zylinderköpfe nach dem Aufschrecken langsam an Luft auf Raumtemperatur gekühlt werden (Säule "uphill + water" in Diag. 2). Die derart in erfindungsgemäßer Weise wärmebehandelten Zylinderköpfe weisen Eigenspannungen von 27 MPa auf und sind somit bei wesentlich höheren Festigkeiten des Gussstücks nur um 6 MPa größer als die Eigenspannungen, die bei reiner Abkühlung an Luft erzielt werden . Die Erfindung ermöglicht es somit, die Vorteile einer mit hoher Abkühlrate erfolgenden Abschreckung, nämlich die Steigerung der Festigkeit des jeweiligen Gussteils, zu nutzen, ohne dazu große Eigenspannungen in Kauf nehmen zu müssen. Die erhaltenen Bauteile weisen eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig minimierten Eigenspannungen auf und sind dementsprechend auch höchsten Belastungen im praktischen Betrieb gewachsen. Diag. 2 shows this success of the method according to the invention. When cooling in air after the annealing treatment, residual stresses ("stress") in the range of only 21 MPa are reached. This value is in Diag. 2 represented by the column "air". However, the components slowly cooled in air after the annealing treatment have only low strengths. If quenching takes place in water after the annealing treatment, the level of residual stresses in cylinder heads, which are conventionally cooled only to 60 ° C in water without subsequent low-temperature start-up heating, is 103 MPa. The relevant value is in the Diag. 2 represented by the column "water60". If, on the other hand, the heat treatment according to the invention described above is carried out after quenching in water, residual stresses in the range of 42 MPa (column "uphill + water" in Diag.) Are present in the event that cooling with water is carried out after being quenched to 240 ° C. . 2). An even better reduction of the internal stresses is achieved if the cylinder heads are slowly cooled in air to room temperature after being frightened (column "uphill + water" in Diag. 2). The cylinder heads which have been heat-treated in this way according to the invention have internal stresses of 27 MPa and are therefore only 6 MPa greater than the internal stresses which are achieved with pure cooling in air at much higher strengths of the casting. The invention thus makes it possible to utilize the advantages of quenching which occurs at a high cooling rate, namely the increase in the strength of the respective cast part, without having to put up with large residual stresses. The components obtained have high strength with minimized residual stresses and are therefore able to withstand the highest loads in practical operation.

Claims

P A T E N T AN S P R Ü C H E PATENT TO SPEECH
1. Verfahren zum Wärmebehandeln von aus einer Leichtmetallschmelze, insbesondere einer Aluminiumschmelze, erzeugten Gussteilen, bei dem das Gussteil1. A method for the heat treatment of cast parts produced from a light metal melt, in particular an aluminum melt, in which the cast part
- nach einer Glühbehandlung oder aus der Gießhitze abgeschreckt,- quenched after annealing or pouring heat,
- nach der Abschreckung auf eine Tieftemperatur abgekühlt und- cooled to a low temperature after quenching and
- im Anschluss an die Tieftemperaturabkuhlung plötzlich auf eine hohe Temperatur erwärmt wird, indem es in eine Salzschmelze eingetaucht wird, deren Temperatur oberhalb der Siedetemperatur von Wasser bei Normaldruck liegt.- Following the low-temperature cooling, it is suddenly heated to a high temperature by immersing it in a molten salt whose temperature is above the boiling point of water at normal pressure.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Abschreckung des Gussteils mit Hilfe von Wasser erfolgt.2. The method of claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, that the casting is quenched with the aid of water.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Tieftemperatur weniger als -180 °C beträgt. 3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the low temperature is less than -180 ° C.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Gussteil zum Abkühlen auf die Tieftemperatur in flüssigen Stickstoff getaucht wird.4. The method according to any one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t d a s s the cast part is immersed in liquid nitrogen for cooling to the low temperature.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Gussteil so lange bei der Tieftemperatur gekühlt wird, bis seine Kerntemperatur im Wesentlichen gleich der Tieftemperatur ist.5. The method according to any one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, that the casting is cooled at the low temperature until its core temperature is substantially equal to the low temperature.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Salzschmelze auf mindestens 150 °C erwärmt ist.6. The method according to any one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t d a s s the molten salt is heated to at least 150 ° C.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Salzschmelze auf mindestens 250 °C erwärmt ist.7. The method of claim 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, that the salt melt is heated to at least 250 ° C.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Salzschmelze eine Salzkonzentration von mindestens 98 Gew.-% aufweist.8. The method according to any one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, that the molten salt has a salt concentration of at least 98 wt .-%.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die als Salze der Salzschmelze Nitrate und / oder Chromate, insbesondere Alkali- oder Erdalkalimetallnitrate und -chromate, wie NaN03, KN03 oder Na2Cr04, verwendet werden. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the nitrates and / or chromates, in particular alkali or alkaline earth metal nitrates and chromates, such as NaN0 3 , KN0 3 or Na 2 Cr0 4 , are used as salts of the molten salt.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s es sich bei den Gussteilen um Zylinderköpfe handelt.10. The method according to any one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, that the cast parts are cylinder heads.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s es sich bei den Gussteilen um Motorblöcke handelt. 11. The method according to any one of claims 1 to 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, that the cast parts are engine blocks.
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