DE10312394A1

DE10312394A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung eines Bauteils aus einer Metalllegierung

Info

Publication number: DE10312394A1
Application number: DE2003112394
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Blümlhuber; Georg Böhm; Johann Wolf; Heinz Paschen
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-09-30

Abstract

Bei einem Bauteil aus einer Metalllegierung, das durch Lösungsglühen, Abschrecken in einem flüssigen Medium und Warmauslagern wärmebehandelt wird, wird wenigstens ein Bereich vor dem Abschrecken mit dem flüssigen Medium mit einem Gasstrom abgekühlt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Bauteils aus einer Metalllegierung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Um für Guss- und Schmiedeteile aus warmauslagerbaren Aluminiumlegierungen eine Festigkeitssteigerung zu erreichen, wird eine sogenannte T6-Wäremebehandlung durchgeführt, d.h. ein Lösungsglühen, dem ein Abschrecken, also ein schnelles Abkühlen am Ende des Glühprozesses und anschließend eine Warmauslagerung folgt. Durch das Abschrecken wird gewährleistet, dass der während des Glühens homogenisierte Zustand der Metalllegierung „eingefroren" wird.

Zum Abschrecken werden die Bauteile in Wasser oder eine Polymerbademulsion getaucht. Das Abschrecken in einer Polymerbademulsion erfolgt im Vergleich zu Wasser langsamer und kommt dort zum Einsatz, wo aufgrund der hohen Abkühlgeschwindigkeiten in Wasser kritische Eigenspannungen erster Art entstehen können.

Kritische Eigenspannungen entstehen vor allem in Bauteilen mit großen Wandstärkeunterschieden. Aufgrund der Wandstärkeunterschiede entstehen während des Abschreckens hohe Temperaturgradienten zwischen dickwandigen und dünnwandigen Bereichen. Diese Temperaturunterschiede können aufgrund des Wärmeausdehnungskoeffizienten und den bei hohen Temperaturen noch sehr geringen Streckgrenzen der Metalllegierung vor allem in den dickwandigen Bereichen durch lokale plastische Dehnungen zu Eigenspannungen führen. Große Eigenspannungen können jedoch die Dauerfestigkeit reduzieren, da sie sich in ungünstigen Fällen mit der Betriebslast aufaddieren können.

Um das Auftreten hoher Eigenspannungen zu verhindern, werden in jüngster Zeit sogenannte Luftabschreckverfahren angewendet. Hierbei wird das gesamte Bauteil nach dem Lösungsglühen mit Hilfe von erzwungener Konvektion mit Luft angeblasen. Durch das Anblasen mit Luft erfolgt das Abkühlen zwar langsamer, sodass geringere Eigenspannungen entstehen, andererseits sinkt aber die maximal erreichbare Festigkeit und Härte des Bauteils, da sich die Legierung wieder entmischt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, um durch die Wärmebehandlung die Dauerfestigkeit eines Bauteils aus einer Metalllegierung zuverlässig zu erhöhen.

Dies wird erfindungsgemäß mit dem in Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahren erreicht, das durch die Maßnahmen der Ansprüche 2 bis 12 weiter ausgebildet wird.

Im Anspruch 13 ist eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gekennzeichnet, welche durch die Maßnahmen der Ansprüche 14 bis 17 weiter ausgebildet wird.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch das Abschrecken bestimmter Bereiche des Bauteils unmittelbar nach dem Lösungsglühen mit einem Gasstrom und das unmittelbar daran anschließende Abschrecken des gesamten Bauteils in einem flüssigen Medium eine hohe Dauerfestigkeit erreicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei in erster Linie dazu bestimmt, Bauteile hoher Dauerfestigkeit mit unterschiedlichen Wandstärken zu erhalten. Dies wird mit einem Bauteil hoher Festigkeit und geringen Eigenspannungen erreicht.

Dazu werden erfindungsgemäß die dickwandigen Bereiche des Bauteils unmittelbar vor dem Abschrecken in dem flüssigen Medium mit dem Gasstrom angeblasen. Das Bauteil wird damit in dem dickwandigen Bereich abgekühlt, bevor unmittelbar danach der Abschreckvorgang des gesamten Bauteils in dem flüssigen Medium mit sehr hoher Abkühlgeschwindigkeit erfolgt.

Durch das Anblasen mit dem Gasstrom werden die dickwandigen Bereiche vor dem Abschrecken des Bauteils in dem flüssigen Medium vorzugsweise auf eine Temperatur abgekühlt, die niedriger ist als die Temperatur des restlichen Bauteils. Beim Abschrecken in dem flüssigen Medium kühlen die dünnwandigen Bereiche des Bauteils schneller ab als die dickwandigen Bereiche. Da erst ein Temperaturausgleich zwischen dem mit dem Gasstrom gekühlten, kälteren, dickwandigen Bereich und dem heißeren dünnwandigen Bereich des Bauteils erfolgen muss, wird beim Abkühlen in dem flüssigen Medium der maximal auftretende Temperaturgradient zwischen dickwandigen und dünnwandigen Bereichen des Bauteils, welche einer der Ursachen für die Eigenspannungen ist, reduziert.

Die Streckgrenze eines Werkstoffs ist bei hohen Temperaturen geringer als bei niedriger Temperatur. Die geringen Streckgrenzen bei hohen Temperaturen haben lokal plastische Dehnungen zur Folge, die vor allem in den dickwandigen Bereichen zu Eigenspannungen führen. Da die dickwandigen Bereiche des Bauteils durch die Vorkühlung mit dem Gasstrom eine niedrigere Temperatur und damit eine höhere Streckgrenze aufweisen, wird erfindungsgemäß in den dickwandigen Bereichen die Streckgrenze beim Abschrecken nicht überschritten, sodass keine, jedenfalls nur geringe plastische Dehnungen auftreten. Damit wird auch dieser weiteren Ursache für Eigenspannungen entgegengetreten.

Durch das rasche Abschrecken des Bauteils in dem flüssigen Medium wird eine Entmischung des Werkstoffs verhindert. Zwar führt die hohe Abkühlgeschwindigkeit in dem flüssigen Medium auch zu einem Temperaturgradienten, jedoch bei einem niedrigeren Temperaturniveau. Damit tritt der Temperaturgradient bei höheren Streckgrenzen des Werkstoffs auf, wodurch diese nicht mehr überschritten werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist zwar in erster Linie dazu bestimmt, unterschiedliche Wandstärken aufweisende Bauteile hoher Festigkeit mit geringen Eigenspannungen zu erhalten, jedoch kann erfindungsgemäß auch ein Bauteil mit besonders hoher Eigenspannung in einem bestimmten Bereich erzeugt werden. Beispielsweise kann bei einem Gussbauteil, das bei seinem Einsatz in einem bestimmten Bereich stark zugbelastet wird, in diesem Bereich eine lokale Druckbelastung durch entsprechende Eigenspannung eingestellt werden. Dazu werden die übrigen Bereiche des Bauteils einer Vorkühlung mit dem Gasstrom unterzogen, sodass in dem Bereich, der beim Einsatz des Bauteils einer hohen Zugbelastung ausgesetzt ist, eine hohe Eigenspannung und damit Druckbelastung erzeugt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für Bauteile aus warmauslagerbaren Aluminiumlegierungen geeignet, und zwar für Guss- und Schmiedeteile.

Das Lösungsglühen der Bauteile erfolgt beispielsweise 10 bis 20°C unter der Solidustemperatur der Legierung, bei Aluminiumlegierungen also beispielsweise bei 510 bis 530°C. Es kann z.B. zwei bis zehn Stunden lösungsgeglüht werden.

Als Gasstrom zum Abkühlen des dickwandigen Bereichs des Bauteils vor dem Abschrecken des Bauteils in dem flüssigen Medium kann ein Luftstrom verwendet werden, gegebenenfalls auch ein Sprühnebel.

Die Abkühlgeschwindigkeit in dem dickwandigen Bereich durch Anblasen mit dem Gasstrom kann bei einem Luftstrom 2 bis 30°C/Sek., insbesondere 5 bis 20°C/Sek. betragen; bei einem Sprühnebelstrom liegt sie aufgrund der Verdunstung höher, beispielsweise zwischen 30 und 50°C/Sek. Um eine hohe Abkühlgeschwindigkeit mit dem Gasstrom zu erzielen, kann die Geschwindigkeit und/oder der Druck des Gasstroms entsprechend eingestellt werden. Das gezielte kurzzeitige Anblasen des dickwandigen Bereichs mit dem Gasstrom kann mittels Düsen oder Leitblechen erfolgen.

Der dickwandige Bereich des Bauteils wird von der Lösungsglühtemperatur durch Anblasen mit dem Gasstrom vorzugsweise auf eine Temperatur abgekühlt, die niedriger ist als die Temperatur des restlichen Bauteils. Dazu kann das Anblasen beispielsweise 1 bis 10 Sekunden durchgeführt werden.

Unmittelbar nach dem Abkühlen des dickwandigen Bereichs mit dem Gasstrom wird das Bauteil in dem flüssigen Medium abgeschreckt. Um eine Entmischung des Werkstoffs zu verhindern, ist die Abkühlgeschwindigkeit in dem flüssigen Medium höher als die Abkühlgeschwindigkeit des dickwandigen Bereichs zuvor mit dem Gasstrom. Vorzugsweise beträgt die Abkühlgeschwindigkeit in dem flüssigen Medium mehr als 50°C/Sek., insbesondere 80 bis 200°C/Sek. Das flüssige Medium kann Wasser oder eine handelsübliche Polymerbademulsion zum Abschrecken lösungsgeglühter Bauteile sein.

Nach dem Abschrecken wird das Bauteil beispielsweise bei 150–200°C zwei bis zehn Stunden warm ausgelagert.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für Bauteile von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen geeignet. So kann z.B. ein Kurbelgehäuse aus einer Aluminiumlegierung erfindungsgemäß wärmebehandelt werden. Dazu wird nach dem Lösungsglühen der dickwandige Lagerstuhlbereich des Kurbelgehäuses der Vorkühlung mit dem Gasstrom unterzogen, bevor das Kurbelgehäuse zum Abschrecken in das flüssige Medium getaucht wird. Ebenso können bei einem Kolbenmotor die Kolben aus einer Aluminiumlegierung erfindungsgemäß wärmebehandelt werden, wobei nach dem Lösungsglühen der Kolben das Pleuellagerauge als dickwandiger Bereich der Vorkühlung mit dem Gasstrom vor dem Abschrecken des Kolbens in dem flüssigen Medium unterworfen wird.

Um insbesondere auch schwere Bauteile unmittelbar nach dem Lösungsglühen durch Anblasen der dickwandigen Bereiche und anschließendes Eintauchen in das flüssige Medium abschrecken zu können, wird erfindungsgemäß vorzugsweise ein Ofen zum Lösungsglühen verwendet, in dem eine Düse vorgesehen ist, mit der der dickwandige Bereich des Bauteils mit dem Gasstrom nach dem Lösungsglühen angeblasen werden kann.

Da der Ofen im Allgemeinen zur Aufnahme mehrerer Bauteile ausgelegt ist, ist für jedes Bauteil eine solche Düse vorgesehen. Die Düsen sind dabei an ein Gaszufuhrrohr angeschlossen, das in den Ofen ragt.

Durch den Einbau des Gaszufuhrrohrs und der Düsen in den Ofen werden diese auf Lösungsglühtemperatur erwärmt, sodass der Gasstrom eine zu hohe Temperatur besitzen würde, falls keine Gegenmaßnahmen getroffen werden. Um das Gaszufuhrrohr und die Düsen während des Lösungsglühens abzukühlen, sind das Gaszufuhrrohr und die Düsen vorzugsweise in einer Kammer angeordnet, durch die ein Gasstrom, vorzugsweise ein Luftstrom geleitet wird.

Um insbesondere schwere Bauteile nach dem Anblasen der dickwandigen Bereiche sofort in dem flüssigen Medium abschrecken zu können, wird der Behälter mit dem flüssigen Abschreckmedium unter dem Ofen zum Lösungsglühen angeordnet. Der Boden oder das Unterteil des Ofens ist dazu entfernbar, beispielsweise verschiebbar, sodass die Bauteile, die sich auf einer Aufnahmeeinrichtung unter den Düsen in dem Ofen befinden, nach dem Lösungsglühen und Abkühlen der dickwandigen Bereiche mit den Düsen durch Absenken sofort in dem flüssigen Medium abgeschreckt werden können.

Nachstehend ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
1 einen Querschnitt durch einen Lösungsglühofen; und
2 einen Querschnitt durch den Lösungsglühofen und durch das Bad mit dem flüssigen Abschreckmedium, wobei das Ofengehäuse weggelassen ist.
Gemäß 1 weist der Lösungsglühofen 1 ein Gehäuse 2 mit einem Boden 3 auf. In dem Gehäuse 2 ist in dem Ofenraum 4 ein Rost oder dergleichen Aufnahmeeinrichtung 5 vorgesehen, welche mehrere Bauteile 6 aufnimmt, die in dem Ofen 1 lösungsgeglüht werden.
Oberhalb der Aufnahmeeinrichtung 5 mit den Bauteilen 6 erstreckt sich quer durch den Ofenraum 2 ein Luftzufuhrrohr 7, das mit mehreren Düsen 8 versehen ist, die jeweils von oben gezielt auf einen Bereich der Bauteile 6 ausgerichtet sind. Das Luftzufuhrrohr 7 ist mit einem Ventil 9 oder dergleichen Organ absperrbar.
Das Luftzufuhrrohr 7 mit den Düsen 8 ist in einer durch ein Außenrohr 10 gebildeten Kammer 11 angeordnet, durch welche Luft zur Kühlung des Luftzufuhrrohrs 7 mit den Düsen 8 geleitet wird. Die Kammer 11 ist ebenfalls durch ein Ventil oder dergleichen Organ 12 absperrbar.
Der Boden 3 des Gehäuses 2 des Ofens 1 ist entfernbar, beispielsweise zur Seite verschiebbar. Damit können gemäß 2 die Bauteile 6 auf der Aufnahmeeinrichtung 5 aus dem Ofen 1 in das Bad 13 mit dem flüssigen Abschreckmedium abgesenkt werden.
Mit dieser Vorrichtung kann das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt werden, dass zwischen Lösungsglühen, Anblasen mit dem Gasstrom und Abschrecken in dem flüssigen Medium keine Verzögerungszeiten auftreten, und zwar auch beim Wärmebehandeln schwerer Bauteile.
Dazu werden die Bauteile 6 in dem Ofenraum 4 zum Lösungsglühen auf der Aufnahmeeinrichtung 5 angeordnet, und zwar derart, dass die Düsen 8 exakt auf den dickwandigen Bereich des Bauteils 6 ausgerichtet sind, der nach dem Lösungsglühen mit dem Gasstrom abgekühlt werden soll, also z.B. bei Kurbelgehäusen als Bauteile 6 auf den Bereich des Lagerstuhls.
Da sich das Außenrohr 10 und das darin angeordnete Luftzufuhrrohr 7 mit den Düsen 8 während des Lösungsglühen erwärmt, wird in der Endphase des Lösungsglühens kalte Luft durch das Außenrohr 10 geblasen. Die Ofentemperatur des Lösungsglühofens 1 sinkt damit nicht. Ist das Luftzufuhrrohr 7 mit den Düsen 8 in der mit kalter Luft durchströmten Kammer 11 abgekühlt, kann am Ende des Lösungsglühens sofort mit dem Zuführen von kalter Luft oder einem anderen kalten Gas, beispielsweise Sprühnebel, in das Luftzufuhrrohr 7 begonnen werden. Das kalte Gas strömt aus den Düsen 8 auf die Bauteile 6 und kühlt deren dickwandigen Bereich. Dieses lokale Anblasen wird solange durchgeführt, bis die Bauteile 6 in das Bad 13 mit dem flüssigen Abschreckmedium getaucht werden. Das Außenrohr 10 mit dem Luftzufuhrrohr 7 und den Düsen 8 kann dazu mit der absenkbaren Aufnahmeeinrichtung 5 fest verbunden sein.
Für kleinere Chargen oder kleinere Bauteile kann die Anblasvorrichtung auch außerhalb des Ofens angebracht sein, da aufgrund der geringen Massen und der damit eingehenden realisierbaren hohen Beschleunigungen kurze Verzögerungszeiten zwischen Öffnen des Ofens 1 und Justage der Bauteile vor der Anblasvorrichtung eingehalten werden können. In diesem Fall kann also ein Lösungsglühofen ohne weitere Einrichtungen verwendet werden. Auch kann in diesem Fall ein Luftzufuhrrohr mit Düsen ohne Außenrohr verwendet werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Bauteile mit reduzierten Eigenspannungen ohne Reduzierung der Festigkeit oder Härte erhalten werden. Durch lokales Glühen können Eigenspannungen gezielt eingestellt werden. Dadurch kann die Dauerfestigkeit von Bauteilen erhöht werden. Durch die variablen voneinander unabhängigen Abkühlvarianten, also Gasstrom und flüssiges Medium, kann insgesamt sogar schneller abgeschreckt werden, sodass größere Härten und höhere Festigkeitswerte erzielbar sind.

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung eines Bauteils aus einer Metalllegierung durch Lösungsglühen, Abschrecken in einem flüssigen Medium und Warmauslagern, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Bereich des Bauteils vor dem Abschrecken mit dem flüssigen Medium mit einem Gasstrom abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil Bereiche unterschiedlicher Wandstärke aufweist und der dickwandige Bereich des Bauteils mit dem Gasstrom abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil mit dem Gasstrom an dem dickwandigen Bereich auf eine Temperatur abgekühlt wird, die niedriger ist als die Temperatur des restlichen Bauteils.
Verfahren nach einem der vorstehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus einer warmauslagerbaren Aluminiumlegierung besteht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Guss- oder Schmiedeteil ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlgeschwindigkeit zum Abkühlen des dickwandigen Bereichs des Bauteils mit dem Gasstrom auf 2 bis 50°C/Sek. eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasstrom ein Luftstrom verwendet wird.
Verfahre nach einem der Ansprüche 1 – 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Gastrom ein Sprühnebel verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlgeschwindigkeit mit dem Luftstrom auf 2 bis 30°C/Sek. eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlgeschwindigkeit mit dem Sprühnebel auf 20 bis 50°C/Sek. eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als flüssiges Medium zum Abschrecken des Bauteils Wasser oder eine Polymeremulsion verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlgeschwindigkeit in dem flüssigen Medium auf mehr als 50°C/Sek. eingestellt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Ofen (1) zum Lösungsglühen, in dem wenigstens eine Düse (8) vorgesehen ist, mit der der wenigstens eine Bereich des Bauteils (6) durch Anblasen mit dem Gasstrom nach dem Lösungsglühen abgekühlt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Düse (8) in dem Ofen (1) in einer mit einem Luftstrom kühlbaren Kammer (11) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Düse (8) an einem Gaszufuhrrohr (7) vorgesehen ist, welche in der mit dem Luftstrom kühlbaren Kammer (11) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, gekennzeichnet durch eine Aufnahmevorrichtung (5) für das Bauteil (6) in dem Ofen (1) unter der Düse (8).
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (3) des Ofens (1) entfernbar und die Aufnahmeeinrichtung (5) mit dem Bauteil (6) in ein Bad (13) mit dem flüssigen Abschreckmedium unter dem Ofen (1) absenkbar ist.