EP3408423A1 - Verfahren zum wärmebehandeln eines aus einem metallwerkstoff bestehenden bauteils mit mindestens einem mit einer glasur- oder emaille-beschichtung beschichteten flächenabschnitt - Google Patents

Verfahren zum wärmebehandeln eines aus einem metallwerkstoff bestehenden bauteils mit mindestens einem mit einer glasur- oder emaille-beschichtung beschichteten flächenabschnitt

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EP3408423A1
EP3408423A1 EP17716981.0A EP17716981A EP3408423A1 EP 3408423 A1 EP3408423 A1 EP 3408423A1 EP 17716981 A EP17716981 A EP 17716981A EP 3408423 A1 EP3408423 A1 EP 3408423A1
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EP
European Patent Office
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glaze
temperature
enamel coating
component
cooling
Prior art date
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EP17716981.0A
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Bernhard Stauder
Jurij GONTAREV
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Nemak SAB de CV
Original Assignee
Nemak SAB de CV
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    • C23D—ENAMELLING OF, OR APPLYING A VITREOUS LAYER TO, METALS
    • C23D7/00—Treating the coatings, e.g. drying before burning
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C23D—ENAMELLING OF, OR APPLYING A VITREOUS LAYER TO, METALS
    • C23D1/00—Melting or fritting the enamels; Apparatus or furnaces therefor

Definitions

  • the invention relates to a method for heat treating one of
  • Metal alloy in particular a light metal material, existing component, in or on the at least one surface portion is coated with a glaze or enamel coating.
  • Coatings combines during the firing of the respective
  • Sections of the respective component without the risk of spalling of the coating must allow.
  • Heating temperature heated. At this temperature, the glass matrix of the coating melts and creates a chemical bond between the coating and the base material of the component.
  • castings produced can be adjusted specifically by a suitable heat treatment.
  • a solution annealing with subsequent quenching in which the component is cooled at a high speed to a low target temperature, for example the room temperature, the strength of the component can be significantly increased. It has proved to be particularly economical when the baking and the heating to the quenching temperature, from which the quenching takes place, are carried out in one go.
  • Cooling takes place, as they occur for example in a water quenching.
  • quenching with such high cooling rates must be regularly employed, especially for components that are subjected to high mechanical stresses in use, such as cylinder heads of internal combustion engines.
  • these components are the typical application examples of components that are coated in thermally highly stressed areas with a glaze or enamel coating of the type in question here.
  • the component is heated to a heating temperature which is at least equal to a minimum quenching temperature. Then the component is starting from a temperature which in turn is at least equal to the minimum
  • Quenching temperature is quenched to produce a higher-strength structure in the component.
  • the heating temperature to which the component is heated prior to quenching is dimensioned so that the temperature of the component at the beginning of the quenching process, taking into account possible
  • Temperature corresponds to the softening of the glaze or enamel coating begins.
  • the cooling rate at which the glaze or enamel coating is pre-cooled according to the invention is lower than the cooling rate achieved during quenching.
  • the glaze or enamel coating is preheated sufficiently slowly, prior to quenching, to a temperature lower than the component temperature, typically lower than the minimum quench temperature, and at which the glaze or enamel coating re-solidifies ,
  • the target temperature of the precooling is generally the temperature above which the glass matrix softens and the chemical processes explained at the outset, due to which the glaze or enamel coating permanently adheres firmly to the metal material of the component.
  • the coating is cooled at least in its region of its free surface to a temperature below this target temperature.
  • the method according to the invention proves to be particularly suitable for the heat treatment of components which consist of a light metal material, in particular an aluminum-based material.
  • Softening is softened, it solidifies by the precooling invention thus at least again so far that it firmly adheres to the metal substrate of the component and so in the subsequent
  • Quenching of the entire component can withstand the rapid change in temperature without causing flaking.
  • the pre-cooling of the glaze or enamel coating is carried out after the heating of the component to the heating temperature, it may happen that the component during the pre-cooling also cools to some extent. In this case, so is the minimum
  • Quenching temperature from which the quenching of the component begins, is lower than the originally achieved heating temperature or
  • Heating temperature is set so high that the component temperature is still above the minimum quenching temperature even after the temperature decrease occurring in the course of precooling.
  • the pre-cooling temperature to which the glaze or enamel coating is precooled may typically be at least 30 ° C, more preferably at least 50 ° C lower than the minimum quench temperature.
  • suitable stoving temperatures and thus the temperatures at which softening of the glass matrix of the glaze or enamel coating commences are typically in the range from 480 to 650.degree. C., in particular from 510 to 540.degree. Especially safe Therefore, it is possible to prevent the glaze or enamel coating from flaking off of components made of Al materials in that the
  • Pre-cooling temperature is a maximum of 480 ° C, in particular at most 470 ° C or 450 ° C.
  • typical minimum quenching temperatures for components consisting of Al materials are at least 480 ° C., in particular at least 500 ° C., with quenching temperatures of at least 520 ° C., in particular at least 530 ° C., having proved to be particularly advantageous in practice.
  • Pre-cooling temperature can be carried out according to the invention by the fact that the glaze or enamel coating is impinged by means of a fluid.
  • a suitably tempered gas stream is suitable for this purpose.
  • Compressed air has proved to be particularly advantageous as a cooling gas, since it is readily available in the operating environment in which the inventive method is used and the compressed air flow can be easily adjusted so that it causes the required cooling.
  • gases such as an inert gas, such as nitrogen or the like
  • inert gas such as nitrogen or the like
  • the respective gas flow can be directed by means of a nozzle device against the glaze or enamel coating, in order to ensure a concentrated cooling on the area coated with the glaze or enamel coating.
  • Thermal conductivity or thermal diffusivity of the glaze or enamel coating is determined.
  • the metal substrate of the component is not affected so long, as long as the heat wave through the pre-cooling not to the Casting surface penetrates.
  • cooling times of not more than 60 seconds, in particular no more than 40 seconds are generally sufficient for this.
  • a cooling below the required minimum quenching temperature at conventional coating thicknesses can be prevented particularly reliably by limiting the duration of the pre-cooling to a maximum of 20 seconds, in particular 5-20 seconds.
  • Typical layer thicknesses of the glaze or enamel coating are in the range of up to 5 mm, in particular up to 2 mm.
  • the duration of precooling of the glaze or enamel coating which is actually required in each case can be determined in a manner which is familiar to the person skilled in the art by experimental measurements on specimens of the components to be heat-treated.
  • the temperature decrease of the glaze or enamel coating occurring during precooling and, on the other hand, the temperature profile in the region of the boundary layer between the glaze or enamel coating and the metal material of the component bearing it are detected by measurement or determined theoretically.
  • the duration of the pre-cooling is set so that the temperature of the
  • Quenching temperature adjacent temperature is present. Already limited by one on the free surface of the coating and thus on the near to this surface layers of glaze or enamel coating Pre-cooling prevents the glaze of the glaze or enamel coating during subsequent quenching. Since the coating has already cooled on its surface at the same time, the unit formed from component and layer base is under compressive stress, what their
  • Practical cooling rates of the pre-cooling are in the range of less than 5 K / s, wherein at cooling rates of at least 0.5 K / s, the pre-cooling can be done so quickly that during the pre-cooling of the glaze or enamel coating not too great cooling of the rest Component occurs.
  • the heat treatment carried out according to the invention can usually be carried out as solution annealing with subsequent quenching. If the components are cast components
  • the typical Glühdauem be 0.5 - 5 h.
  • the quenching of the component can then take place with cooling rates of at least 5 K / s, in particular at least 7 K / s or at least 10 K / s.
  • cooling rates of up to 50 K / s have proven successful, with the concrete cooling rates achieved in the case of components with strongly changing wall thicknesses and local material accumulations being able to scatter strongly over the component volume.
  • quenching medium here is particularly water. However, if desired, other quenching media may be used, such as spray, polymers, oils or gases.
  • the respectively achieved cooling rate can be set in the same known manner.
  • Quenching medium used water for example, the
  • the method according to the invention is particularly suitable for the heat treatment of components for internal combustion engines in which at least one channel is provided on which at least one surface section is coated with the glaze or enamel coating.
  • the heat-treated components according to the invention can, in a manner known per se, pass through further treatment steps, such as aging, in order to further optimize their properties with regard to the respective use.
  • the single FIGURE shows as an example of a component of the present invention heat treated type schematically a cylinder head 1 for a
  • Cast aluminum material for example, an AISM 1 or AISi10CuO, 5Mg alloy
  • cast cylinder head 1 has a flat contact surface 2, with which he does not use in use over an optionally interposed shown cylinder head gasket on a likewise not shown here engine block of the respective internal combustion engine.
  • the internal combustion engine has combustion chambers arranged in series and pistons moving up and down, likewise not visible here.
  • dome-shaped recesses 3 are formed, which form the upper end of the combustion chambers of the engine in the stroke direction of the piston of the engine.
  • Combustion chamber of the internal combustion engine is discharged.
  • the inner surfaces 7 of the exhaust gas duct 6 delimiting the exhaust gas duct 6 are in operation, in particular in the region adjoining its inlet opening 8, high thermal and mechanical loads due to the high flow velocity in the open inlet
  • Exhaust duct 6 is exposed to incoming hot exhaust gas.
  • the inner surfaces 7 are covered with an enamel coating 9, whose thickness is on average 400 ⁇ and covering the inner surfaces 7 over the entire length of the exhaust passage 6.
  • the cylinder head 1 has in a conventional manner according to the number of combustion chambers and associated valves many exhaust ports 6, which are arranged one behind the other in the longitudinal direction of the cylinder head 1 and each coated with an enamel coating 9.
  • the production and composition of the enamel coating 9 are described in the already mentioned WO 2015/018795 A1, whose contents have already been included in the present application.
  • the cylinder head 1 is first heated to a baking temperature of 520 ° C., in order to obtain the
  • Enamel coating 9 burned so that it firmly adheres to the AI substrate of the component.
  • the cylinder head 1 over an annealing time of 1, 5 h at a heating temperature of 535 ° C.
  • the cylinder head 1 is taken within 10 s from the annealing furnace, not shown here, and placed on a holding device 10.
  • the holding device 10 is part of a pre-cooling device which additionally comprises a nozzle arrangement 11.
  • the nozzle assembly 11 has nozzles 12, one of which in each of the one longitudinal side 4 "formed
  • Output opening 13 of the respective exhaust duct 6 is directed.
  • the surfaces of the longitudinal side 4 "adjoining the outlet opening 13 are thermally shielded from the environment by means of a diaphragm 14 made of a heat-resistant material.
  • the nozzle arrangement 11 is connected to a central compressed air supply 15
  • a compressed air flow D is directed directly against the free surface 9 'of the enamel coating 9 via the nozzles 12 assigned to the individual exhaust gas passages 6 of the cylinder head.
  • the enamel coating 9 is pre-cooled in this way to a pre-cooling temperature of less than 470 ° C.
  • the cylinder head 1 is removed from the holding device 10 and immersed for 5 s in a water bath whose temperature is 95 ° C. In this way, the cylinder head 1 is quenched to room temperature.
  • Dehumidification may be followed by aging at 200 ° C for a period of 1 to 200 hours. In the example described here, a storage time of 5 hours was chosen.
  • the measure of the curing achieved by the heat treatment is the yield strength of the material of which the cylinder heads 1 consist.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmebehandeln eines aus einer Metalllegierung bestehenden Bauteils (1), in oder an dem mindestens ein Flächenabschnitt (7) mit einer Glasur- oder Emaille-Beschichtung (9) beschichtet ist, wobei das Bauteil (1) auf eine Erwärmungstemperatur erwärmt wird, die mindestens gleich einer minimalen Abschrecktemperatur ist, und wobei das Bauteil (1) ausgehend von einer Temperatur, die mindestens gleich der minimalen Abschrecktemperatur ist, abgeschreckt wird, um ein höherfestes Gefüge im Bauteil (1) zu erzeugen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es, die betreffenden Bauteile (1) so wärmezubehandeln, dass einerseits maximale Festigkeiten des Bauteils (1) erreicht und andererseits ein Abplatzen der Glasur- oder Emaille-Beschichtung (9) sicher vermieden wird. Hierzu wird erfindungsgemäß die Glasur- oder Emaille-Beschichtung (9) vor dem Abschrecken mindestens an ihrer freien Oberfläche (9') auf eine Vorkühltemperatur vorgekühlt, die höchstens der Temperatur entspricht, bei der die Erweichung der Glasur- oder Emaille-Beschichtung (9) einsetzt, wobei die Abkühlgeschwindigkeit, mit der die Glasur- oder Emaille-Beschichtung (9) vorgekühlt wird, geringer ist als die beim Abschrecken erzielte Abkühlgeschwindigkeit.

Description

Verfahren zum Wärmebehandeln eines aus einem Metallwerkstoff bestehenden Bauteils mit mindestens einem mit einer Glasur- oder
Emaille-Beschichtung beschichteten Flächenabschnitt
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmebehandeln eines aus einer
Metalllegierung, insbesondere einem Leichtmetallwerkstoff, bestehenden Bauteils, in oder an dem mindestens ein Flächenabschnitt mit einer Glasur- oder Emaille- Beschichtung beschichtet ist.
Wie im Einzelnen im Artikel "Möglichkeiten und Grenzen der Emaillierung von Leichtmetallen" von Dr.-Ing. Wolfgang Kühn, erschienen in Oberflächen
Polysurfaces No. 2/09, Seiten 6 - 9, erläutert, handelt es sich bei
Emaillebeschichtungen um Glasschichten, die vor allem hinsichtlich der
Schmelztemperatur und der thermischen Ausdehnungskoeffizienten an die für sie vorgesehenen Trägerwerkstoffe angepasst wurden. Sie verbinden die
Eigenschaften einer Glasoberfläche mit den Material- und
Verarbeitungseigenschaften von Metallen. Im Gegensatz zu anderen
Beschichtungen verbindet sich beim Einbrand der jeweiligen
Emaillebeschichtung ein Glas-Metall-Verbund, bei dem sich zwischen dem
Glasmaterial und dem Metallsubstrat Zwischenschichten, so genannte
intermetallische Phasen, bilden. Diese sichern eine besonders intensive
Haftung der Beschichtung auf dem Metall. Zu diesem Zweck sind moderne Emaillen heute Mehrstoffgemische, die unter Nutzung ihres Eutektikums bei niedrigen Einbrenntemperaturen eine sehr gute mechanische Härte und chemische Beständigkeit erreichen. Aus der DE 10 2010 025 286 A1 ist es des Weiteren bekannt, dass sich die Innenflächen von Abgaskanälen von Leichtmetallgussteilen, wie beispielsweise Zylinderköpfen, für Verbrennungsmotoren dadurch effektiv gegen eine thermische Überbeanspruchung schützen lassen, dass sie zumindest abschnittsweise mit einer Beschichtung belegt werden, die aus einem
Glasmaterial gebildet ist. Bei der praktischen Nutzung dieses Vorschlags ergibt sich eine besondere Herausforderung dadurch, dass die Beschichtung einerseits den im Betrieb auftretenden mechanischen und thermischen
Belastungen sicher standhalten muss und andererseits eine mechanische Bearbeitung von an den beschichteten Flächenabschnitt angrenzenden
Abschnitten des jeweiligen Bauteils ohne die Gefahr eines Abplatzens der Beschichtung zulassen muss.
Bei Anwendung der in der WO 2015/018795 A1 beschriebenen Glasur- oder Emaille-Beschichtung an Flächen von Bauteilen, die aus Leichtmetall hergestellt sind, hat sich herausgestellt, dass eine solche Beschichtung auch dann noch den thermischen und mechanischen Belastungen sicher standhält und das Leichtmetallsubstrat zuverlässig schützt, wenn die Temperatur, der das betreffende Bauteil im Betrieb an der mit der Emaillebeschichtung versehenen Fläche ausgesetzt ist, sehr viel höher liegt als die Schmelztemperatur des Leichtmetallwerkstoffs und der Beschichtung selbst. So eignet sich derartiges Emaillepulver insbesondere zum Beschichten von Flächen, die im Einsatz einem heißen Abgasstrom ausgesetzt sind. Solche Flächen sind typischerweise im Bereich der abgasführenden Kanäle von Bauteilen von
Verbrennungsmotoren, Zylinderköpfen, Turboladern und sonstigem, vorhanden. Bauteile dieser Art werden in der Praxis regelmäßig gießtechnisch hergestellt.
Der Inhalt der WO 2015/018795 A1 wird hiermit durch Bezugnahme in den Inhalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen.
Wie in der WO 2015/018795 A1 im Einzelnen dargelegt, wird auf den zu beschichtenden Flächenabschnitt für die Beschichtung mit der Glasur- oder Emaille-Beschichtung ein entsprechend zusammengesetzter Schlicker oder desgleichen aufgetragen. Anschließend wird das Bauteil im Ganzen oder zumindest im Bereich des jeweiligen Flächenabschnitts auf eine
Einbrenntemperatur erwärmt. Bei dieser Temperatur schmilzt die Glasmatrix der Beschichtung auf und es entsteht eine chemische Verbindung zwischen der Beschichtung und dem Grundwerkstoff des Bauteils.
Die mechanischen Eigenschaften von aus Leichtmetallwerkstoffen,
insbesondere Aluminiumlegierungen, hergestellten Gussteilen können durch eine geeignete Wärmebehandlung gezielt eingestellt werden. So kann durch ein Lösungsglühen mit anschließendem Abschrecken, bei dem das Bauteil mit einer hohen Geschwindigkeit auf eine niedrige Zieltemperatur, beispielsweise die Raumtemperatur, abgekühlt wird, die Festigkeit des Bauteils deutlich erhöht werden. Als besonders wirtschaftlich hat es sich dabei erwiesen, wenn das Einbrennen und die Erwärmung auf die Abschrecktemperatur, von der ausgehend die Abschreckung erfolgt, in einem Zuge durchgeführt werden.
Praktische Versuche haben allerdings ergeben, dass es zu Abplatzungen der Glasur- oder Emaille-Beschichtung kommen kann, wenn nach einer Erwärmung auf eine über der üblichen Einbrenntemperatur der Glasur- oder Emaille- Beschichtung liegenden Temperatur das Abschrecken mit sehr hohen
Abkühlraten erfolgt, wie sie beispielsweise bei einer Wasserabschreckung auftreten. Jedoch muss eine Abschreckung mit derart hohen Abkühlraten gerade bei Bauteilen, die im Gebrauch hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, wie beispielsweise Zylinderköpfe von Verbrennungsmotoren, regelmäßig angewendet werden. Gleichzeitig sind diese Bauteile die typischen Anwendungsbeispiele für Bauteile, die in thermisch hoch belasteten Bereichen mit einer Glasur- oder Emaille-Beschichtung der hier in Rede stehenden Art beschichtet sind.
Vor diesem Hintergrund hat sich die Aufgabe ergeben, ein Verfahren zu nennen, mit dem es möglich ist, aus Metallwerkstoffen, insbesondere Leichtmetallwerkstoffen, bestehende und mindestens an einem
Flächenabschnitt mit einer Glasur- oder Emaille-Beschichtung versehene Bauteile so wärmezubehandeln, dass einerseits maximale Festigkeiten des Bauteils erreicht und andererseits ein Abplatzen der Glasur- oder Emaille- Beschichtung sicher vermieden wird.
Die Erfindung hat diese Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene
Verfahren gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen erläutert.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Wärmebehandeln eines aus einem Metallwerkstoff, insbesondere einem Leichtmetallwerkstoff, bestehenden Bauteils, in oder an dem mindestens ein Flächenabschnitt mit einer Glasuroder Emaille-Beschichtung beschichtet ist, wird das jeweilige Bauteil in
Übereinstimmung mit dem eingangs erläuterten Stand der Technik auf eine Erwärmungstemperatur erwärmt, die mindestens gleich einer minimalen Abschrecktemperatur ist. Daraufhin wird das Bauteil ausgehend von einer Temperatur, die wiederum mindestens gleich der minimalen
Abschrecktemperatur ist, abgeschreckt, um ein höherfestes Gefüge im Bauteil zu erzeugen.
Die Erwärmungstemperatur, auf die das Bauteil vor dem Abschrecken erwärmt wird, ist dabei so bemessen, dass die Temperatur des Bauteils zu Beginn des Abschreckvorgangs auch unter Berücksichtigung möglicher
Temperaturverluste, die durch Transport des Bauteils oder sonstige
zwischengeschaltete Arbeitsschritte eintreten, mindestens gleich der minimalen Abschrecktemperatur ist.
Erfindungsgemäß wird nun bei einem solchen Verfahren die Glasur- oder Emaille-Beschichtung vor dem Abschrecken mindestens an ihrer freien
Oberfläche auf eine Vorkühltemperatur vorgekühlt, die höchstens der
Temperatur entspricht, bei der die Erweichung der Glasur- oder Emaille- Beschichtung einsetzt.
Dabei ist die Abkühlgeschwindigkeit, mit der die Glasur- oder Emaille- Beschichtung vorgekühlt wird, erfindungsgemäß geringer ist als die beim Abschrecken erzielte Abkühlgeschwindigkeit.
Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Vorkühlen wird somit die Glasuroder Emaille-Beschichtung vor dem Abschrecken ausreichend langsam bis zu einer Temperatur vorgekühlt, die niedriger ist als die Bauteiltemperatur, typischerweise niedriger als die minimale Abschrecktemperatur, und bei der sich die Glasur- oder Emaille-Beschichtung wieder verfestigt. Die
Zieltemperatur der Vorkühlung ist dabei im Sinne der Erfindung allgemein die Temperatur, oberhalb von der es zu einem Erweichen der Glasmatrix und zu den eingangs erläuterten chemischen Prozessen kommt, aufgrund derer die Glasur- oder Emaille-Beschichtung dauerhaft fest an dem Metallwerkstoff des Bauteils haftet. Im Zuge der Vorkühlung wird die Beschichtung zumindest in ihrem Bereich ihrer freien Oberfläche auf eine unterhalb dieser Zieltemperatur liegende Temperatur abgekühlt.
Besonders geeignet erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren dabei für die Wärmebehandlung von Bauteilen, die aus einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere einem Werkstoff auf Aluminiumbasis, bestehen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es, hochbelastbare Bauteile zu erzeugen, bei denen die Glasur- oder Emaille-Beschichtung im Zuge der Abschreckung vollständig erhalten bleibt. Bauteile mit einer Glasur- oder Emaille-Beschichtung von Bauteilbereichen können einer Wärmebehandlung mit Abschreckung ohne Einschränkungen der Lösungsglühtemperatur unterzogen werden, selbst wenn die Beschichtung nur deutlich geringere Temperaturen zulässt, um fehlerfrei zu bleiben. Die maximal erzielbaren mechanischen Eigenschaften eines Gussmaterials können so in vollem Umfang ausgenutzt werden.
Nachdem die Glasur- oder Emaille-Beschichtung in Folge der Erwärmung auf die mindestens der minimalen Abschrecktemperatur entsprechende und damit oberhalb der typischerweise beim Einbrennen der Glasur- oder Emaille- Beschichtung eingestellten Einbrenntemperatur liegende
Erwärmungstemperatur aufgeweicht worden ist, verfestigt sie sich durch die erfindungsgemäße Vorkühlung somit zumindest wieder so weit, dass sie fest am Metallsubstrat des Bauteils haftet und so beim anschließenden
Abschrecken des gesamten Bauteils dem raschen Temperaturwechsel standhalten kann, ohne dass es zu Abplatzungen kommt.
Da die Vorkühlung der Glasur- oder Emaille-Beschichtung nach der Erwärmung des Bauteils auf die Erwärmungstemperatur durchgeführt wird, kann es dazu kommen, dass das Bauteil während der Vorkühlung ebenfalls in einem gewissen Maße abkühlt. In diesem Fall liegt also die minimale
Abschrecktemperatur, ab der die Abschreckung des Bauteils einsetzt, niedriger ist als die ursprünglich erreichte Erwärmungstemperatur bzw. die
Erwärmungstemperatur ist so hoch eingestellt, dass die Bauteiltemperatur auch noch nach der im Zuge der Vorkühlung eintretenden Temperaturabnahme oberhalb der minimalen Abschrecktemperatur liegt.
Die Vorkühltemperatur, auf die die Glasur- oder Emaille-Beschichtung vorgekühlt wird, kann typischerweise mindestens 30 °C, insbesondere mindestens 50 °C niedriger sein als die minimale Abschrecktemperatur.
Bei aus einem Aluminiumwerkstoff gefertigten Bauteilen liegen geeignete Einbrenntemperaturen und damit die Temperaturen, bei denen ein Erweichen der Glasmatrix der Glasur- oder Emaille-Beschichtung einsetzt, typischerweise im Bereich von 480 - 650 °C, insbesondere 510 - 540 °C. Besonders sicher lässt sich daher ein Abplatzen der Glasur- oder Emaille-Beschichtung bei aus AI-Werkstoffen gefertigten Bauteilen dadurch verhindern, dass die
Vorkühltemperatur maximal 480 °C, insbesondere höchstens 470 °C oder 450 °C, beträgt. Dagegen liegen typische minimale Abschrecktemperaturen bei aus AI-Werkstoffen bestehenden Bauteilen bei mindestens 480 °C, insbesondere mindestens 500 °C, wobei sich Abschrecktemperaturen von mindestens 520 °C, insbesondere mindestens 530 °C, in der Praxis als besonders vorteilhaft herausgestellt haben.
Die Vorkühlung der Glasur- oder Emaille-Beschichtung auf die
Vorkühltemperatur kann erfindungsgemäß dadurch erfolgen, dass die Glasuroder Emaille-Beschichtung mittels eines Fluids angeströmt wird. Hierzu eignet sich insbesondere ein in geeigneter Weise temperierter Gasstrom. Druckluft hat sich hierbei als Kühlgas als besonders vorteilhaft herausgestellt, da es im betrieblichen Umfeld, in dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird, problemlos zur Verfügung steht und der Druckluftstrom problemlos so eingestellt werden kann, dass er die geforderte Abkühlung bewirkt.
Selbstverständlich können jedoch auch andere Gase, wie ein Schutzgas, beispielsweise Stickstoff oder desgleichen, verwendet werden, wenn sie zur Verfügung stehen oder dies beispielsweise zur Vermeidung von Reaktionen des Metallsubstrats mit dem anströmenden Gas angezeigt ist. Der jeweilige Gasstrom kann mittels einer Düseneinrichtung gegen die Glasur- oder Emaille- Beschichtung gerichtet werden, um eine auf den jeweils mit der Glasur- oder Emaille-Beschichtung beschichteten Flächenabschnitt konzentrierte Abkühlung zu gewährleisten.
Physikalisch ergibt sich aus Schichtdicke und den thermophysikalischen Daten eine Ausbreitungsgeschwindigkeit der durch das Kühlmedium bewirkten Temperaturwelle, deren Fortschreiten durch die sogenannte
Temperaturleitfähigkeit oder thermische Diffusivität der Glasur- oder Emaille- Beschichtung bestimmt ist. Das Metallsubstrat des Bauteils wird so lange nicht beeinflusst, solange die Wärmewelle durch das Vorkühlen nicht an die Gussoberfläche dringt. Bei den in der Praxis üblichen Schichtdicken von Glasur- oder Emaille-Beschichtungen der hier in Rede stehenden Art reichen dafür in der Regel Abkühldauern von höchstens 60 Sekunden, insbesondere höchstens 40 Sekunden, aus. Besonders sicher lässt sich eine Abkühlung unterhalb der erforderlichen minimalen Abschrecktemperatur bei üblichen Beschichtungsdicken dadurch verhindern, dass die Dauer des Vorkühlens auf höchstens 20 Sekunden, insbesondere 5 - 20 Sekunden, beschränkt wird.
Typische Schichtdicken der Glasur- oder Emaille-Beschichtung liegen im Bereich von bis zu 5 mm, insbesondere bis zu 2 mm.
Die jeweils konkret erforderliche Dauer der Vorkühlung der Glasur- oder Emaille-Beschichtung kann auf für den Fachmann übliche Weise durch experimentelle Messungen an Probenstücken der wärmezubehandelnden Bauteile ermittelt werden. Hierzu wird einerseits die bei der Vorkühlung eintretende Temperaturabnahme der Glasur- oder Emaille-Beschichtung und andererseits der Temperaturverlauf im Bereich der Grenzschicht zwischen der Glasur- oder Emaille-Beschichtung und dem sie tragenden Metallwerkstoff des Bauteils messtechnisch erfasst oder theoretisch ermittelt. Optimalerweise wird die Dauer der Vorkühlung so eingestellt, dass die Temperatur des
Leichtmetallwerkstoffs des Bauteils an dem Flächenabschnitt, der mit der Glasur- oder Emaille-Beschichtung beschichtet ist, mindestens gleich der minimalen Abschrecktemperatur ist.
Grundsätzlich wird dabei davon ausgegangen werden, dass es für die erfindungsgemäßen Zwecke ausreicht, wenn die Glasur- oder Emaille- Beschichtung nur die ihrer freien Oberfläche auf die Vorkühltemperatur abgekühlt wird, so dass im an das Metallsubstrat angrenzenden Bereich der Glasur- oder Emaille-Beschichtung noch eine höhere, an die minimale
Abschrecktemperatur angrenzende Temperatur vorliegt. Schon durch eine auf die freie Oberfläche der Beschichtung und damit auf die zu dieser Oberfläche nahen Schichten der Glasur- oder Emaille-Beschichtung beschränkte Vorkühlung wird das Anreißen der Glasur- oder Emaille-Beschichtung beim anschließend erfolgenden Abschrecken verhindert. Da die Beschichtung gleichzeitig an ihrer Oberfläche bereits abgekühlt ist, steht die so gebildete Einheit aus Bauteil und Schichtgrund unter Druckspannung, was deren
Beständigkeit zusätzlich erhöht.
Praxisgerechte Abkühlraten des Vorkühlens liegen im Bereich von weniger als 5 K/s, wobei bei Abkühlraten von mindestens 0,5 K/s die Vorkühlung so schnell erfolgen kann, dass während des Vorkühlens der Glasur- oder Emaille- Beschichtung keine zu große Abkühlung des übrigen Bauteils eintritt.
Die erfindungsgemäß durchgeführte Wärmebehandlung kann in üblicherweise als Lösungsglühen mit anschließender Abschreckung durchgeführt werden. Handelt es sich bei den Bauteilen um gegossene Bauteile aus
Leichtmetallwerkstoffen, insbesondere AI-Werkstoffen, so betragen die typischen Glühdauem 0,5 - 5 h.
Das Abschrecken des Bauteils kann dann mit Abkühlgeschwindigkeiten von mindestens 5 K/s, insbesondere mindestens 7 K/s oder mindestens 10 K/s, erfolgen. In der Praxis haben sich Abkühlraten von bis zu 50 K/s bewährt, wobei die jeweils konkret erzielten Abkühlraten bei Bauteilen mit stark wechselnden Wanddicken und lokalen Materialanhäufungen über das Bauteilvolumen stark streuen können.
Das Abschrecken der Bauteile selbst kann nach der erfindungsgemäßen Vorkühlung der Glasur- oder Emaille-Beschichtung in üblicher weise
durchgeführt werden. Als Abschreckmedium eignet sich hier insbesondere Wasser. Es können jedoch bedarfsweise auch andere Abschreckmedien eingesetzt werden, wie Sprühnebel, Polymere, Öle oder Gase.
Über die Temperatur des Abschreckmediums kann dabei die jeweils erzielte Abkühlrate in ebenso bekannter Weise eingestellt werden. Wird als Abschreckmedium Wasser eingesetzt, so kann beispielsweise die
Wassertemperatur bis zur Siedetemperatur reichen, um übermäßig hohe Abkühlraten im Bauteil zu vermeiden.
Wie schon erwähnt, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für die Wärmebehandlung von Bauteilen für Verbrennungsmotoren, in denen mindestens ein Kanal vorgesehen ist, an dem mindestens ein Flächenabschnitt mit der Glasur- oder Emaille-Beschichtung beschichtet ist.
Um zu verhindern, dass die Abschnitte des Bauteils, die an den mit der Glasuroder Emaille-Beschichtung belegten Abschnitt angrenzen, bei der Vorkühlung zu stark abkühlen, können sie durch Anbringen von Blenden, Isoliermaterialien und desgleichen gegen das jeweilige Kühlmedium abgeschirmt werden.
Nach dem Abschrecken können die erfindungsgemäß wärmebehandelten Bauteile in an sich bekannter Weise weitere Behandlungsschritte, wie ein Auslagern, durchlaufen, um ihre Eigenschaften im Hinblick auf die jeweilige Verwendung weiter zu optimieren.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt als Beispiel für ein Bauteil der erfindungsgemäß wärmezubehandelnden Art schematisch einen Zylinderkopf 1 für einen
Verbrennungsmotor in einem quer zur Längserstreckung des Zylinderkopfs 1 ausgerichteten Schnitt.
Der aus einem für diese Zwecke üblicherweise verwendeten
Aluminiumgusswerkstoff, beispielsweise einer AISM 1- oder AISi10CuO,5Mg- Legierung, gegossene Zylinderkopf 1 weist eine ebene Anlagefläche 2 auf, mit der er bei Gebrauch über eine gegebenenfalls zwischengelegte, hier nicht gezeigte Zylinderkopfdichtung auf einem hier ebenfalls nicht dargestellten Motorblock des jeweiligen Verbrennungsmotors liegt. Der Verbrennungsmotor weist dabei in Reihe angeordnete Verbrennungsräume und darin auf und ab bewegte, hier ebenfalls nicht sichtbare Kolben auf.
In die Anlagefläche 2 sind der Anzahl der Zylinder des Verbrennungsmotors entsprechend viele kalottenartig ausgebildete Ausnehmungen 3 eingeformt, die den in Hubrichtung der Kolben des Verbrennungsmotors oberen Abschluss der Verbrennungsräume des Verbrennungsmotors bilden.
In den Ausnehmungen 3 mündet jeweils ein von der einen Längsseite 4' des Zylinderkopfes 1 herangeführter Einlasskanal 5, über den im Betrieb das jeweilige Brennstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum eingelassen wird.
Gleichzeitig geht von der jeweiligen Ausnehmung 3 ein Abgaskanal 6 ab, der zur gegenüberliegenden Längsseite 4" des Zylinderkopfes 1 geführt ist und über den das beim Verbrennungsvorgang anfallende Abgas aus dem
Brennraum des Verbrennungsmotors abgeführt wird.
Die den Abgaskanal 6 umgrenzenden Innenflächen 7 des Abgaskanals 6 sind im Betrieb insbesondere in dem an seine Eingangsöffnung 8 anschließenden Bereich hohen thermischen und mechanischen Belastungen durch das bei geöffneter Eintrittsöffnung mit hoher Strömungsgeschwindigkeit in den
Abgaskanal 6 einströmende heiße Abgas ausgesetzt.
Zum Schutz gegen diese Belastungen sind die Innenflächen 7 mit einer Emaillebeschichtung 9 belegt, deren Dicke im Mittel 400 μιη beträgt und die die Innenflächen 7 über die gesamte Länge des Abgaskanals 6 bedeckt.
Der Zylinderkopf 1 weist in an sich bekannter Weise entsprechend der Anzahl der Verbrennungsräume und jeweils zugeordneten Ventile viele Abgaskanäle 6 auf, die in Längsrichtung des Zylinderkopfs 1 hintereinander angeordnet sind und jeweils mit einer Emaillebeschiehtung 9 beschichtet sind. Die Herstellung und Zusammensetzung der Emaillebeschichtung 9 sind in der eingangs bereits erwähnten WO 2015/018795 A1 beschrieben, deren Inhalt bereits in die vorliegende Anmeldung einbezogen worden ist.
Zum Einbrennen der Emaillebeschichtung 9 wird der Zylinderkopf 1 zunächst auf eine 520 °C betragende Einbrenntemperatur erwärmt, um die
Emaillebeschichtung 9 so einzubrennen, dass sie fest am AI-Substrat des Bauteils haftet.
Für die erfindungsgemäße Wärmebehandlung ist der Zylinderkopf 1 über eine Glühdauer von 1 ,5 h bei einer Erwärmungstemperatur von 535 °C
lösungsgeglüht worden.
Nach Ende der Glühdauer ist der Zylinderkopf 1 innerhalb von 10 s aus dem hier nicht gezeigten Glühofen genommen und auf eine Halteeinrichtung 10 gesetzt worden.
Die Halteeinrichtung 10 ist Teil einer Vorkühleinrichtung, die zusätzlich eine Düsenanordnung 11 umfasst. Die Düsenanordnung 11 weist Düsen 12 auf, von denen jeweils eine in die an der einen Längsseite 4" ausgebildeten
Ausgangsöffnung 13 des jeweiligen Abgaskanals 6 gerichtet ist. Die an die Ausgangsöffnung 13 angrenzenden Flächen der Längsseite 4" sind dabei mittels einer aus einem hitzebeständigen Material bestehenden Blende 14 thermisch gegenüber der Umgebung abgeschirmt.
Die Düsenanordnung 11 ist an eine zentrale Druckluftversorgung 15
angeschlossen, über die Druckluft mit Raumtemperatur in die Düsenanordnung 11 gelangt. Zum Vorkühlen der Emaillebeschichtung 9 wird über die den einzelnen Abgaskanälen 6 des Zylinderkopfs zugeordneten Düsen 12 ein Druckluftstrom D direkt gegen die freie Oberfläche 9' der Emaillebeschichtung 9 gerichtet. Innerhalb von 30 - 40 s wird die Emaillebeschichtung 9 auf diese Weise auf eine Vorkühltemperatur von weniger als 470 °C vorgekühlt. Daraufhin wird der Zylinderkopf 1 aus der Halteeinrichtung 10 entnommen und für 5 s in ein Wasserbad getaucht, dessen Temperatur 95 °C beträgt. Auf diese Weise wird der Zylinderkopf 1 auf Raumtemperatur abgeschreckt.
An die Abschreckung kann sich eine Warmauslagerung bei 200 °C über eine Dauer von 1 - 200 h anschließen. Im vorliegend beschriebenen Beispiel wurde eine Auslagerdauer von 5 h gewählt.
Das Maß für die durch die Wärmebehandlung erzielte Aushärtung ist die Streckgrenze des Werkstoffs, aus dem die Zylinderköpfe 1 bestehen.
Nach der Warmauslagerung wiesen aus der AISi10CuO,5Mg-Legierung gegossene Zylinderköpfe 1 abhängig vom jeweils verwendeten
Abschreckmedium bei einer jeweils von einer 535 °C betragenden
Abschrecktemperatur ausgehenden Abschreckung folgende Streckgrenzen auf:
BEZUGSZEICHEN
1 Zylinderkopf (Bauteil)
2 Anlagefläche des Zylinderkopfes 1
3 Ausnehmungen des Zylinderkopfes 1
4\4" Längsseiten des Zylinderkopfes 1
5 Einlasskanal
6 Abgaskanal
7 Innenflächen des Abgaskanals 6
8 Eingangsöffnung des Abgaskanals 6
9 Emaillebeschichtung
9' Oberfläche der Emaillebeschichtung 9
10 Halteeinrichtung
11 Düsenanordnung
12 Düsen
13 Ausgangsöffnung
14 Blende
15 Druckluftversorgung
D Druckluftstrom

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Wärmebehandeln eines aus einer Metalllegierung
bestehenden Bauteils (1), in oder an dem mindestens ein Flächenabschnitt (7) mit einer Glasur- oder Emaille-Beschichtung (9) beschichtet ist,
- wobei das Bauteil (1) auf eine Erwärmungstemperatur erwärmt wird, die mindestens gleich einer minimalen Abschrecktemperatur ist, und
- wobei das Bauteil (1) ausgehend von einer Temperatur, die mindestens gleich der minimalen Abschrecktemperatur ist, abgeschreckt wird, um ein höherfestes Gefüge im Bauteil (1) zu erzeugen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Glasur- oder Emaille-Beschichtung (9) vor dem Abschrecken mindestens an ihrer freien Oberfläche (9') auf eine Vorkühltemperatur vorgekühlt wird, die höchstens der Temperatur entspricht, bei der die Erweichung der Glasur- oder Emaille-Beschichtung (9) einsetzt,
und
dass die Abkühlgeschwindigkeit, mit der die Glasur- oder Emaille- Beschichtung (9) vorgekühlt wird, geringer ist als die beim Abschrecken erzielte Abkühlgeschwindigkeit.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Glasur- oder Emaille-Beschichtung (9) mittels Anströmen mit einem Fluid auf die Vorkühltemperatur vorgekühlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid ein Druckluftstrom ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, d a d u r c h
gekennzeichnet, dass das Fluid mittels einer Düseneinrichtung (11) gegen die Glasur- oder Emaille-Beschichtung (9) gerichtet wird.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Dauer der Vorkühlung so eingestellt wird, dass die Temperatur des Metallwerkstoffs des Bauteils (1) an dem Flächenabschnitt (7), der mit der Glasur- oder Emaille-Beschichtung (9) beschichtet ist, mindestens gleich der minimalen Abschrecktemperatur ist.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Abkühlgeschwindigkeit, mit der die Glasur- oder Emaille-Beschichtung (9) vorgekühlt wird, weniger als 5 K/s beträgt.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Abkühlgeschwindigkeit, mit der die Glasur- oder Emaille-Beschichtung (9) vorgekühlt wird, mindestens 0,5 K/s beträgt.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Abkühlgeschwindigkeit, mit der das Bauteil (1) nach dem Vorkühlen der Glasur- oder Emaille-Beschichtung (9) abgeschreckt wird, mindestens 5 K/s beträgt.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlgeschwindigkeit, mit der das Bauteil (1) nach dem Vorkühlen der Glasur- oder Emaille-Beschichtung (9) abgeschreckt wird, höchstens 50 K/s beträgt.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorkühltemperatur um mindestens 30 °C niedriger ist als die minimale Abschrecktemperatur.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkühltemperatur mindestens 50 °C niedriger ist als die minimale Abschrecktemperatur.
12. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorkühltemperatur höchstens 480 °C beträgt.
13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Metallwerkstoff des Bauteils (1) ein Leichtmetallwerkstoff, insbesondere ein Werkstoff auf Aluminiumbasis, ist.
14. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) ein Bauteil (1) für einen Verbrennungsmotor ist, in dem mindestens ein Kanal (6) vorgesehen ist, an dem mindestens ein Flächenabschnitt (7) mit der Glasur- oder Emaille- Beschichtung (9) beschichtet ist.
15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1 ) gießtechnisch erzeugt ist.
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