PL180054B1

PL180054B1 - Method of heat treating casting aluminium alloys

Info

Publication number: PL180054B1
Application number: PL31647896A
Authority: PL
Inventors: Zdzislaw Poniewierski; Adam Rylski
Original assignee: Politechnika Lodzka; Politechnika Oeodzka
Priority date: 1996-10-09
Filing date: 1996-10-09
Publication date: 2000-12-29
Also published as: PL316478A1

Abstract

1. Sposób obróbki cieplnej odlewniczych stopów aluminium przez przesycanie i starzenie, znamienny tym, że odlew poddaje się co najmniej trzykrotnemu cyklowi schładzanie - podgrzewanie w przedziale temperatur 550 - 813 K, przy czym odlew w temperaturach granicznych cyklu utrzymuje się przez 3-20 minut, po czym po szybkim schłodzeniu do temperatury otoczenia odlew poddaje się starzeniu w znany sposób przez co najmniej 3 godziny.1. Method of heat treatment of casting aluminum alloys by supersaturation and aging, characterized in that the casting is subjected to at least three cycles of cooling - heating in the temperature range 550 - 813 K, while casting at temperature limits the cycle is maintained for 3-20 minutes, then quickly cooled to temperature ambient conditions, the casting is aged in a known manner for at least 3 hours.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób obróbki cieplnej odlewniczych stopów aluminium, zwłaszcza siluminów przewidzianych do eksploatacji w warunkach dużych obciążeń cieplnych, charakterystycznych szczególnie dla pracy głowic cylindrowych.The subject of the invention is a method of heat treatment of casting aluminum alloys, especially silumin intended for operation in conditions of high thermal loads, characteristic especially for the operation of cylinder heads.

Dla zapewnienia trwałości głowic cylindrowych oraz ich możliwie bezawaryjnej pracy podczas eksploatacji, powinny się one charakteryzować dobrymi właściwościami mechanicznymi i stabilnością wymiarową. Znanym i powszechnie stosowanym jest sposób obróbki cieplnej siluminów zawierających magnez i/lub miedź, polegający na prowadzeniu obróbki w dwu etapach: przesycania i starzenia. Podczas przesycania, prowadzonego w temperaturze 770-815K w czasie 5-8 godzin następuje ujednorodnienie i wzbogacenie roztworu stałego w krzem, magnez i/lub miedź, po czym odlewy poddaje się szybkiemu schłodzeniu do temperatury pokojowej. Następnie dokonuje się starzenia odlewów przez podgrzewanie ich do temperatury 420-490 K i utrzymywanie w niej przez 5-12 godzin. Następuje wtedy częściowe wydzielanie faz metastabilnych lub równowagowych Mg₂Si i/lub Al₂Cu oraz krzemu. Niedogodnością tej metody jest to, iż dalsze wydzielanie wymienionych faz następuje już podczas eksploatacji, w warunkach obciążeń cieplnych, wywołując trwałą rozszerzalność eksploatowanego elementu, co z kolei może powodować przekroczenia dopuszczalnych odchyłek rozszerzalności trwałej i w konsekwencji może prowadzić do przedwczesnego zużycia elementu lub wywołać awarię układu, w którym element pracuje.In order to ensure the durability of cylinder heads and their possible failure-free operation during operation, they should be characterized by good mechanical properties and dimensional stability. A method of heat treatment of magnesium and / or copper containing silumin is known and commonly used, which consists in carrying out the treatment in two stages: supersaturation and aging. During the supersaturation, carried out at the temperature of 770-815K for 5-8 hours, the solid solution is homogenized and enriched with silicon, magnesium and / or copper, and then the castings are quickly cooled to room temperature. Then, the castings are aged by heating them to the temperature of 420-490 K and keeping them there for 5-12 hours. Then, a partial separation of metastable or equilibrium phases Mg ₂ Si and / or Al ₂ Cu and silicon takes place. The disadvantage of this method is that further separation of the above-mentioned phases takes place during operation, under thermal loads, causing permanent expansion of the used element, which in turn may cause the permissible deviations of permanent expansion to be exceeded and, consequently, may lead to premature wear of the element or cause a system failure, in which the element works.

Znanym jest także dla polepszenia własności mechanicznych i jednoczesnego ograniczenia zjawiska rozszerzalności trwałej, modyfikowanie siluminów dodatkiem sodu, strontu lub antymonu. Również i ta metoda w sposób niewystarczający zmniejsza zjawisko trwałej rozszerzalności.It is also known to improve the mechanical properties and at the same time limit the phenomena of permanent expansion, to modify the silumin by adding sodium, strontium or antimony. This method also insufficiently reduces the phenomenon of permanent expansion.

Z radzieckiego opisu patentowego nr 603 695 znany jest sposób polegający na przemiennym 8-12 -krotnym podgrzewaniu elementu do temperatury 807 - 825 K i chłodzeniu do temperatury 637 - 680 K.The Soviet patent specification No. 603 695 describes a method consisting in alternately heating the element 8-12 times to the temperature of 807 - 825 K and cooling it to the temperature of 637 - 680 K.

Metoda ta wpływa na podwyższenie własności wytrzymałościowych elementu, ale również nie eliminuje niestabilności wymiarowej w elemencie pracującym, w temperaturze powyżej 373 K. Inny sposób obróbki cieplnej stopów aluminium, znany także z radzieckiego patentu nr 817088, polega na 2 - 8 -krotnym cyklu przesycania, prowadzonym tak, iż jeden cykl przesycania trwa 15-25 minut, zaś każdorazowe schłodzenie następuje do temperatury otoczenia, po czym stop poddaje się starzeniu e temperaturze 533 K w czasie 1-1,5 godziny. Ten sposób wpływa korzystnie głównie na własności wytrzymałościowe odlewu.This method increases the strength properties of the element, but also does not eliminate dimensional instability in the working element at a temperature above 373 K. Another method of heat treatment of aluminum alloys, also known from the Soviet patent No. 817 088, consists in a 2 - 8-times saturation cycle, conducted in such a way that one supersaturation cycle takes 15-25 minutes, with each cooling down to ambient temperature, after which the alloy is aged at 533 K for 1-1.5 hours. This method has a positive effect mainly on the strength properties of the casting.

Tak więc znane metody obróbki cieplnej elementów ze stopów aluminium, zwłaszcza głowic cylindrowych przeznaczonych do eksploatacji w podwyższonych temperaturach, nie za180 054 pewniają równoczesnego uzyskania dobrych własności mechanicznych i stabilności wymiarowej, to jest ograniczenia trwałych zmian wymiarowych w trakcie eksploatacji, powodowanych nie zakończonymi procesami wydzieleniowymi z przesyconego roztworu stałego.Thus, known methods of heat treatment of elements made of aluminum alloys, especially cylinder heads intended for operation at elevated temperatures, do not ensure simultaneous achievement of good mechanical properties and dimensional stability, i.e. limiting permanent dimensional changes during operation, caused by incomplete precipitation processes with of a supersaturated solid solution.

Nieoczekiwanie okazało się, iż prowadzenie obróbki cieplnej siluminów w taki sposób, że pomiędzy etapem przesycania i starzenia, wprowadza się etap pośredni, polegający na co najmniej trzykrotnym cyklu schładzanie - podgrzewanie w przedziale temperatur 550 - 813 K, umożliwia zwiększenie stabilności wymiarowej odlewu blisko trzykrotnie przy jednoczesnym zachowaniu jego bardzo dobrych własności wytrzymałościowych.Unexpectedly, it turned out that carrying out the heat treatment of silumin in such a way that an intermediate stage is introduced between the supersaturation and aging stage, consisting in a cooling-heating cycle of at least three times in the temperature range 550 - 813 K, which allows to increase the dimensional stability of the casting almost three times at while maintaining its very good strength properties.

Sposób obróbki cieplnej odlewniczych stopów aluminium przez przesycanie i starzenie według wynalazku polega na tym, iż proces przesycania prowadzi się przez 2-6 godzin, po czym odlew poddaje się co najmniej trzykrotnemu cyklowi schładzanie - podgrzewanie w przedziale temperatur 550 - 813 K, utrzymując odlew w temperaturach granicznych cyklu przez 3 - 20 minut, po czym po szybkim schłodzeniu do temperatury otoczenia odlew poddaje się starzeniu znanym sposobem, w czasie co najmniej 3 godzin.The method of heat treatment of casting aluminum alloys by supersaturation and aging according to the invention consists in the fact that the supersaturation process is carried out for 2-6 hours, after which the casting is subjected to at least three cooling-heating cycles in the temperature range of 550 - 813 K, keeping the casting at limits of the cycle for 3 - 20 minutes, and then, after cooling down rapidly to ambient temperature, the casting is aged in a known manner for at least 3 hours.

W rozwiązaniu alternatywnym sposobu według wynalazku po zakończeniu przesycania element przed poddaniem co najmniej trzykrotnemu cyklowi schładzanie - podgrzewanie, schładza się do temperatury otoczenia.In an alternative solution of the method according to the invention, after completion of the supersaturation, the element is cooled down to ambient temperature before being subjected to at least three cooling-heating cycles.

Sposób obróbki cieplnej odlewniczych stopów aluminium, przeznaczonych zwłaszcza na głowice cylindrowe umożliwia równocześnie uzyskanie dobrych własności mechanicznych i zwiększenie stabilności wymiarowej, dzięki nieomal zakończonym w trakcie obróbki, w porównaniu do znanych sposobów, procesom wydzieleniowym krzemu. Zmniejsza to w istotny sposób niebezpieczeństwo przekroczenia odchyłek rozszerzalności trwałej odlewu, powyżej dopuszczalnych, a tym samym nieomal zupełnie eliminuje możliwość awarii z przyczyn wywołanych zmianami wymiarowymi, w układzie, w którym element pracuje.The method of heat treatment of casting aluminum alloys, especially intended for cylinder heads, allows at the same time to obtain good mechanical properties and increase the dimensional stability, thanks to the almost completed during the treatment, compared to known methods, silicon precipitation processes. This significantly reduces the risk of exceeding the permissible deviations of the permanent expansion of the casting, and thus almost completely eliminates the possibility of failure for reasons caused by dimensional changes in the system in which the element works.

Wynalazek został przedstawiony w poniżej zamieszczonych przykładach wykonania.The invention is illustrated in the following examples.

Przykład I. Walec o średnicy 7 mm i długości 30 mm poddano przesycaniu w czasie 4,2 godzin w temperaturze 785 - 790 K, po schłodzeniu do temperatury 550 K i utrzymaniu w tej temperaturze przez 8 minut poddano go podgrzaniu do temperatury 805 K, utrzymując go w niej przez 9 minut. Następnie cykl powtórzono jeszcze trzykrotnie, po czym odlew szybko schłodzono do temperatury otoczenia. Badania porównawcze zmian wymiarowych elementu poddanego obróbce w znany sposób przeprowadzono przy użyciu dilatometru różnicowego, a wyniki pomiarów zamieszczono w poniższej tabeli.Example I. A cylinder with a diameter of 7 mm and a length of 30 mm was subjected to supersaturation for 4.2 hours at a temperature of 785 - 790 K, after cooling to a temperature of 550 K and keeping it at this temperature for 8 minutes, it was heated to a temperature of 805 K, keeping it in it for 9 minutes. The cycle was then repeated three more times, after which the casting was quickly cooled to ambient temperature. Comparative tests of dimensional changes of an element treated in a known manner were carried out using a differential dilatometer, and the measurement results are given in the table below.

Sposób obróbki Processing method Względny przyrost długości elementu Δ11 (%o) Relative increase in element length Δ11 (% o) w czasie podgrzewania do temperatury 493 K when heated to a temperature of 493 K w czasie wygrzewania w temperaturze 493 K during soaking at a temperature of 493 K łącznie together według wynalazku according to the invention 0,02 0.02 0,33 0.33 0,35 0.35 znany known 0,20 0.20 0,75 0.75 0,95 0.95

Przykładu. Walec poddany przesycaniu jak w przykładzie I, schłodzono do temperatury otoczenia. Następnie podgrzano go do temperatury 552 K i utrzymywano w niej przez 5 minut, dalej podgrzano do temperatury 800 K i utrzymywano w tej temperaturze przez 8 minut, po czym cykl schładzanie - podgrzewanie dla takich samych warunków powtórzono jeszcze dwukrotnie. Następnie element szybko schłodzono do temperatury otoczenia. Otrzymane wyniki pomiarów były identyczne jak w przykładzie I.An example. The roller, subjected to supersaturation as in Example 1, was cooled to ambient temperature. It was then heated to a temperature of 552 K and held at it for 5 minutes, further heated to a temperature of 800 K and held at that temperature for 8 minutes, after which the cooling-heating cycle was repeated twice more for the same conditions. The piece was then rapidly cooled to ambient temperature. The obtained measurement results were identical to those in example I.

180 054180 054

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz Cena 2,00 zł.Publishing Department of the UP RP. Circulation 60 copies Price PLN 2.00.

Claims

Patent claims

1. Method of heat treatment of casting aluminum alloys by supersaturation and aging, characterized in that the casting is subjected to a cooling-heating cycle of at least three times in the temperature range of 550-813 K, while the casting is kept for 3-20 minutes at the temperature limits of the cycle, after which, after cooling rapidly to ambient temperature, the casting is aged in a known manner for at least 3 hours.

2. The method according to p. 3. The process of claim 1, wherein the casting, after supersaturation, is cooled to a temperature not lower than 550 K.

3. The method according to p. The process of claim 1, wherein the casting is cooled down to ambient temperature after supersaturation.