DE102016103866B3

DE102016103866B3 - Verfahren zum Wärmebehandeln eines aus einem Metallwerkstoff bestehenden Bauteils mit mindestens einem mit einer Glasur- oder Emaille-Beschichtung beschichteten Flächenabschnitt

Info

Publication number: DE102016103866B3
Application number: DE102016103866.0A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Stauder; Jurij Gontarev
Original assignee: Nemak SAB de CV
Current assignee: Nemak SAB de CV
Priority date: 2016-03-03
Filing date: 2016-03-03
Publication date: 2017-05-18
Anticipated expiration: 2036-03-04
Also published as: CN108779540B; US20190085466A1; RU2724268C2; BR112018016765A2; ZA201805487B; CN108779540A; KR20180121952A; KR102190321B1; RU2018134476A; RU2018134476A3; EP3408423A1; WO2017149380A1; JP2019507830A; EP3408423B1

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

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 Glasur- oder 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 Glasur- oder 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 Al-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 Al-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 Glasur- oder 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 Al-Werkstoffen, so betragen die typischen Glühdauern 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 Glasur- oder 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 AlSi11- oder AlSi10Cu0,5Mg-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 μm 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 Emaillebeschichtung 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 Al-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 AlSi10Cu0,5Mg-Legierung gegossene Zylinderköpfe 1 abhängig vom jeweils verwendeten Abschreckmedium bei einer jeweils von einer 535°C betragenden Abschrecktemperatur ausgehenden Abschreckung folgende Streckgrenzen auf:

Abschreckmedium Streckgrenze

Wasser 280 N/mm²

Combi-Quench (Wasser/Luft) 262 N/mm²

Luftdusche 220 N/mm²
Bezugszeichenliste

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

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.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasur- oder Emaille-Beschichtung (9) mittels Anströmen mit einem Fluid auf die Vorkühltemperatur vorgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid ein Druckluftstrom ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid mittels einer Düseneinrichtung (11) gegen die Glasur- oder Emaille-Beschichtung (9) gerichtet wird.
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.
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.
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.
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.
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.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkühltemperatur um mindestens 30°C niedriger ist als die minimale Abschrecktemperatur.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkühltemperatur mindestens 50°C niedriger ist als die minimale Abschrecktemperatur.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkühltemperatur höchstens 480°C beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallwerkstoff des Bauteils (1) ein Leichtmetallwerkstoff, insbesondere ein Werkstoff auf Aluminiumbasis, ist.
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.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) gießtechnisch erzeugt ist.