本發(fā)明涉及一種用于生產(chǎn)復(fù)雜成型的alcu合金制澆鑄件的方法。

背景技術(shù)：

本發(fā)明中給出合金元素的含量時(shí)，若沒有明確的其他說明，指的是相關(guān)合金各個(gè)合金元素的重量。

由此處討論的alcu合金種類組成的澆鑄件特別是在高于250℃的較高的使用溫度下具有尤其高的強(qiáng)度。但這面臨著較差的澆鑄特性，這種澆鑄特性使得具有復(fù)雜成型特點(diǎn)的構(gòu)件的澆鑄技術(shù)生產(chǎn)變得困難。

這種澆鑄件的典型例子是設(shè)計(jì)用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸蓋，該汽缸蓋一方面在實(shí)際應(yīng)用中承受高溫，另一方面具有緊湊的構(gòu)建形式，細(xì)條狀的成型元件如冷卻液道和油道，凹槽，連接片，引導(dǎo)件以及類似元件構(gòu)建于其中。

在基本不含si的alcu合金的加工過程中一個(gè)重要問題產(chǎn)生于其非常容易受到熱裂紋侵蝕以及冒口補(bǔ)縮行為比傳統(tǒng)alsi合金差很多。

從wo2008/072972a1中已知一種用于由alcu合金生產(chǎn)復(fù)雜構(gòu)型澆鑄件的方法，該alcu合金組成為(重量％)：2-8％的cu，0.2-0.6％的mn，0.07-0.3％的zr，最多0.25％的fe，最多0.3％的si，0.05-0.2％的ti，最多0.04％的v，其余為鋁和不可避免的雜質(zhì)，其中雜質(zhì)的含量之和不超過0.1％。zr的存在在這里對(duì)于粒度最大為100μm的精細(xì)結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)具有特殊意義。

為了改善澆鑄件結(jié)構(gòu)的精細(xì)度可以在實(shí)施已知方法時(shí)在澆鑄之前在具有相應(yīng)組成的熔液中額外添加晶粒細(xì)化劑，比如tic，劑量通常為每噸熔液2kg。經(jīng)過澆鑄和凝固后得到的澆鑄件進(jìn)行熱處理，在熱處理過程中首先在530-545℃溫度下進(jìn)行固溶退火。借助于水或者在空氣流中將澆鑄件從固溶退火溫度加速降溫，其中用水的淬火在所追求的高強(qiáng)度方面尤其是有利的，然而這種情況下推薦空氣流冷卻，即澆鑄件由于其復(fù)雜的構(gòu)型在快速冷卻時(shí)會(huì)傾向于形成裂紋。淬火后將澆鑄件在160-240℃的溫度下保持3-14個(gè)小時(shí)，以增加結(jié)構(gòu)的硬度。

已知方法的實(shí)踐轉(zhuǎn)化的試驗(yàn)展示了已知的合金雖然在材料特性方面具有優(yōu)勢，這些優(yōu)勢尤其對(duì)于用澆鑄技術(shù)生產(chǎn)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋有利。然而在大規(guī)模生產(chǎn)中，利用已知方法用該合金生產(chǎn)在實(shí)際使用過程中滿足要求的澆鑄件缺乏必要的可靠性。

由此展示了，根據(jù)模型相應(yīng)得到的各個(gè)澆鑄件的晶粒大小事實(shí)上波動(dòng)極大。這樣可能比如對(duì)于一個(gè)凝固極慢的極大的樣品件測得約100μm的平均晶粒度。然而若從該樣品件上取下較小的一塊，將其重新熔化并重新迅速凝固，即使凝固速度非常快，還是會(huì)相悖于預(yù)期地出現(xiàn)500-900μm的晶粒度。具有這種粗糙結(jié)構(gòu)的澆鑄件完全不能滿足現(xiàn)在討論的方法目標(biāo)所在的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在此現(xiàn)有技術(shù)的背景下的目的是給出一種方法，該方法以一種實(shí)用的，可靠的方式使得由已知類型的alcu合金生產(chǎn)澆鑄件成為可能。

涉及到該方法，本發(fā)明由此實(shí)現(xiàn)該目的，即，在由alcu合金生產(chǎn)澆鑄件的過程中進(jìn)行在權(quán)利要求1中給出的工作步驟。

本發(fā)明有利的設(shè)計(jì)方案在從屬權(quán)利要求中給出并和總體的發(fā)明思想一道接著詳細(xì)解釋。

根據(jù)本發(fā)明的用于澆鑄細(xì)條狀澆鑄件的方法包括以下工作步驟：

a)熔化alcu合金，該合金組成為(重量％)：

cu：6-8％，

mn：0.3-0.55％，

zr：0.15-0.25％，

fe：最大0.25％，

si：最大0.125％，

ti：0.05-0.2％，

v：最大0.04％，

其余為鋁和不可避免的雜質(zhì)；

b)在730-810℃的保持溫度下將該熔液保持4-12小時(shí)；

c)將該熔液徹底攪勻；

d)從該熔液中取出一熔液份；

e)將該從熔液中取出的熔液份澆鑄成為澆鑄件；

f)該澆鑄件在475-545℃的固溶退火溫度下進(jìn)行1-16個(gè)小時(shí)的固溶退火；

g)將該澆鑄件從固溶退火溫度淬火至最高300℃的淬火停止溫度，其中該澆鑄件至少在500-300℃溫度范圍內(nèi)以0.75-15k/s的冷卻率進(jìn)行淬火；

h)對(duì)該澆鑄件進(jìn)行熱時(shí)效處理，其中在熱時(shí)效處理過程中將該澆鑄件在150-300℃的熱時(shí)效處理溫度下保持1-10小時(shí)；

i)將該澆鑄件冷卻至室溫。

該根據(jù)本發(fā)明的方法由在已經(jīng)提到的wo2008/072972a1中已知的alcu合金出發(fā)，并且提供澆鑄件，該澆鑄件在實(shí)際應(yīng)用中滿足對(duì)其使用性能提出的高要求。

在根據(jù)本發(fā)明處理過的合金中有6-8重量％的銅，以達(dá)到待生產(chǎn)的澆鑄件所要求的熱拉強(qiáng)度。當(dāng)該根據(jù)本發(fā)明處理過的合金中cu含量為6.5-7.5重量％時(shí)，能夠達(dá)到該方面的最佳特性。

含量為0.3-0.55重量％的錳有利于cu在根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的組件結(jié)構(gòu)的al基中擴(kuò)塞并由此使根據(jù)本發(fā)明的合金強(qiáng)度即使在高的運(yùn)行溫度下也變得穩(wěn)定。當(dāng)mn含量為0.4-0.55重量％時(shí)，尤其確保實(shí)現(xiàn)這種效果。

鋯對(duì)于根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的澆鑄件的熱拉強(qiáng)度有著特殊意義。0.15-0.25重量％的zr含量有利于均質(zhì)析出的產(chǎn)生，均質(zhì)析出在由根據(jù)本發(fā)明的澆鑄合金澆鑄而成的澆鑄件中保證了該根據(jù)本發(fā)明的合金具有精細(xì)的結(jié)構(gòu)以及由此決定的，機(jī)械特性在該澆鑄件的整個(gè)體積上最優(yōu)化均勻的分布以及裂縫形成最小的趨勢。當(dāng)根據(jù)本發(fā)明處理的合金的zr含量為0.18-0.25重量％，尤其0.2-0.25重量％時(shí)，這些優(yōu)點(diǎn)能夠尤其可靠地達(dá)到。

鐵在根據(jù)本發(fā)明的合金中不希望出現(xiàn)，因?yàn)殍F趨向于形成脆性相。因此fe含量限制在最大0.25重量％，優(yōu)選0.12重量％。

根據(jù)本發(fā)明，對(duì)于si含量規(guī)定的界限最高為0.125重量％，因?yàn)閟i含量較高時(shí)形成熱裂紋的風(fēng)險(xiǎn)增大。si對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的合金特性的負(fù)面影響能夠通過將si含量限制在最高0.06重量％來可靠排除。

含量為0.05-0.2重量％，尤其為0.08-0.12重量％的ti如zr一樣也有助于晶體細(xì)化。也能夠通過添加最多0.04重量％的v來促進(jìn)晶體細(xì)化。當(dāng)在根據(jù)本發(fā)明處理過的合金中有0.01-0.03重量％的v存在時(shí)，這尤其適用。

由于熔化和生產(chǎn)導(dǎo)致的不可避免的雜質(zhì)含量總和應(yīng)當(dāng)如現(xiàn)有技術(shù)中一樣保持得較低，尤其不超過0.1重量％。

本發(fā)明基于下列認(rèn)識(shí)，即對(duì)于以alcu合金為原料，可靠的，無缺陷的復(fù)雜成型澆鑄件(如汽油或柴油驅(qū)動(dòng)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋)的生產(chǎn)來說必要的是通過已知措施進(jìn)一步對(duì)生產(chǎn)工藝的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。只有這樣才能生產(chǎn)工藝可靠的、根據(jù)本發(fā)明組成的澆鑄件，該澆鑄件在其整個(gè)體積上具有小于100μm，理想情況下小于80μm的晶粒度。

作為邁向該方向的第一步，熔液必須在合適的溫度范圍內(nèi)保溫一段足夠長的時(shí)間。

通過大量的研究可以得出，為此需要保溫時(shí)間為4-12小時(shí)且保持溫度為730-810℃，尤其是750-810℃，其中當(dāng)保持時(shí)間為6-10小時(shí)，保持溫度為770-790℃時(shí)，能夠尤其可靠地達(dá)到想要的結(jié)果。

與根據(jù)本發(fā)明規(guī)定的在前述時(shí)間和溫度范圍內(nèi)的保持(根據(jù)本發(fā)明的方法的工作步驟b))相關(guān)聯(lián)的作用機(jī)理目前尚不清楚。然而這里zr，ti和選擇性的v以根據(jù)本發(fā)明規(guī)定的量的存在顯示出有著決定性的影響。這些元素與作為合金主要組分的鋁一起在高溫下構(gòu)成了預(yù)析出，該預(yù)析出通過長的保持時(shí)間激活然后作為晶粒細(xì)化劑起效。

同樣地也說明了，對(duì)于多次澆鑄取得相同的好的澆鑄結(jié)果來說必要的是在各次澆鑄生產(chǎn)開始前至少徹底攪勻熔液一次。

然后以工作步驟b)開始真正的澆鑄操作。根據(jù)本發(fā)明的方法的工作步驟d)-i)以這樣的頻度重復(fù)，直到生產(chǎn)出為各次澆鑄生產(chǎn)規(guī)定的澆鑄件的數(shù)量。

這里，必要情況下能夠在兩次取熔液份之間重復(fù)徹底攪勻。該比如以強(qiáng)烈的攪動(dòng)形式進(jìn)行的徹底攪勻能夠在傳統(tǒng)排氣處理過程中進(jìn)行，而在此處討論的種類的生產(chǎn)方法中，徹底攪勻通常在與第一次熔液份取出一起進(jìn)行的真正澆鑄操作開始前進(jìn)行。

在根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的澆鑄件中，此外能夠由此促使尤其精細(xì)的結(jié)構(gòu)的形成，即，將各個(gè)熔液份比如在其送往鑄模的途中，在澆鑄成澆鑄件之前選擇性地進(jìn)行晶粒細(xì)化處理。通過這種處理能夠使用根據(jù)本發(fā)明的方法生產(chǎn)澆鑄件，在該澆鑄件中對(duì)于結(jié)構(gòu)來說能夠保證平均粒度小于60μm。

適合作為根據(jù)本發(fā)明選擇性添加的晶粒細(xì)化劑的有為此已知的化合物，比如tic或者tib，該細(xì)化劑能夠以每噸熔液1-10kg的劑量添加。這里試驗(yàn)表明了，當(dāng)晶粒細(xì)化劑的劑量為每噸熔液4-8kg時(shí)有著最佳的晶粒細(xì)化作用。

基本上每種傳統(tǒng)澆鑄方法都適用于澆鑄件的澆鑄(根據(jù)本發(fā)明的方法的工作步驟e))。這包括傳統(tǒng)的重力澆鑄的可能性。

根據(jù)本發(fā)明的方法的實(shí)踐測試卻展示了，當(dāng)通過在澆鑄準(zhǔn)備過程中實(shí)施的措施在澆鑄件中得到了精細(xì)結(jié)構(gòu)時(shí)，由根據(jù)本發(fā)明處理的合金澆鑄出的組件本身由于在其合金中缺乏si而對(duì)于在冷卻中出現(xiàn)的溫度梯度敏感。通過能夠?qū)崿F(xiàn)盡可能好的定向凝固的澆鑄方法可以抑制這種敏感性。

如果想要生產(chǎn)具有優(yōu)化的特性的尤其細(xì)長形的構(gòu)件，那么應(yīng)使用所謂的“動(dòng)態(tài)澆鑄方法”。這里，這種方法指的是，在這些方法中在用熔液填充鑄模時(shí)移動(dòng)該鑄模，一方面以保證將熔液平穩(wěn)地，無波動(dòng)地注入并保證與此一起出現(xiàn)的同樣平穩(wěn)的鑄模的填充，另一方面為了在填充之后獲得最優(yōu)的凝固行為。

也已“傾斜澆鑄方法(kippgieβverfahren)”的名稱已知的動(dòng)態(tài)澆鑄方法的共同特征為，鑄模通過與其相對(duì)接的熔液容器進(jìn)行填充，方法是該鑄模與該熔液容器由初始位置，即用待澆鑄的熔液填充該熔液容器的位置，繞著擺動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)至最終位置，由此，由于該擺動(dòng)動(dòng)作，該熔液注入鑄模中。這類方法的例子在ep1155763a1，de102004015649b3，de102008015856a1，de102010022343a1和目前尚未公開的德國專利申請(qǐng)de102014102724.8中有描述。

通過先前說明的措施(工作步驟a)-e)以及在有需要的情況下額外實(shí)施的晶粒細(xì)化處理)在澆鑄和凝固之后就出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)滿足晶粒度要求(平均晶粒大小<100μm)的澆鑄件。

為了調(diào)整其它的使用性能，根據(jù)本發(fā)明，該澆鑄件還會(huì)經(jīng)過熱處理，在該熱處理中，該澆鑄件首先在475-545℃的固溶退火溫度下進(jìn)行固溶退火時(shí)間為1-16小時(shí)的固溶退火。為了在al基中達(dá)到盡可能高的cu濃度并由此充分利用該合金的全部潛質(zhì)，可以將固溶溫度調(diào)整至515-530℃。

固溶退火處理的時(shí)間沒有顯著影響。固溶退火時(shí)間在本發(fā)明范圍內(nèi)這樣設(shè)置，即存在的銅含量盡可能好地溶解在al基中。這里，實(shí)際中通常能夠達(dá)到的是存在的cu含量的至少60％溶解，其中所追求的是盡可能高的份額，比如存在的cu含量的至少70％或更多溶解。為此，在用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)件的澆鑄生產(chǎn)實(shí)際中設(shè)定固溶退火時(shí)間為2-6小時(shí)。

在固溶退火之后分別將各個(gè)澆鑄件從固溶退火溫度加速冷卻到最高300℃的淬火停止溫度。這里，淬火速率有著決定性的意義。

淬火速率的底限由以下因素限制，即過慢的冷卻會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度過低。這說明了，使用傳統(tǒng)的空氣淬火時(shí)，由根據(jù)本發(fā)明處理的合金組成的澆鑄件的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度比由標(biāo)準(zhǔn)合金制成的澆鑄件的小。因此本發(fā)明在工作步驟g)中規(guī)定了整個(gè)澆鑄件上平均至少0.75k/s淬火速率。

與此相對(duì)，固溶退火后冷卻過快時(shí)會(huì)產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)澆鑄件在溫度低于70℃的，作為射流，水浪或者在浸槽中使用的水中淬火時(shí)，這些裂紋比如會(huì)出現(xiàn)。用加熱到至少70℃的水進(jìn)行淬火能夠足夠可靠地避免這些裂紋的形成。

作為替代還可能的是，用噴霧進(jìn)行淬火。在噴霧淬火中降溫如此謹(jǐn)慎地進(jìn)行，即，當(dāng)噴霧以室溫噴出時(shí)，也可以完全沒有裂紋出現(xiàn)。

無論怎樣進(jìn)行淬火，為了防止裂紋產(chǎn)生，根據(jù)本發(fā)明，在整個(gè)澆鑄件上達(dá)到的平均淬火速率的上限在于工作步驟g)中根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行的淬火中限制在15k/s。

理想狀況是在整個(gè)澆鑄件上達(dá)到1.5-7.5k/s的平均冷卻速率。比如以90℃的熱水進(jìn)行水淬火時(shí)產(chǎn)生的冷卻速率為大約7.5k/s并且在根據(jù)本發(fā)明的方法的測試中帶來了最佳結(jié)果。

正如已經(jīng)提到的，淬火介質(zhì)能夠比如以水浪或者噴霧的形式應(yīng)用。在使用噴霧淬火時(shí)可能的是，通過加載組件的外側(cè)或者通過在存在于澆鑄件內(nèi)的通道中引導(dǎo)淬火介質(zhì)來從內(nèi)部冷卻該組件，比如在汽缸蓋上的水套。為此可以考慮的措施比如在de10222098b4中有說明。在外部冷卻情況下冷卻速率約為2-2.5k/s，內(nèi)部淬火情況下的淬火速率為1.5-3.75k/s。

在工作步驟g)中將澆鑄件淬火至小于或等于接下來進(jìn)行的熱時(shí)效溫度的溫度。根據(jù)本發(fā)明，熱時(shí)效在150-300℃，尤其200-260℃的熱時(shí)效溫度下持續(xù)1-10小時(shí)。熱時(shí)效由此借助于傳統(tǒng)進(jìn)行方式進(jìn)行，不同的是本發(fā)明明確規(guī)定沒有過時(shí)效。

熱時(shí)效的持續(xù)時(shí)間對(duì)處理結(jié)果沒有明顯影響。為了達(dá)到澆鑄件的穩(wěn)定狀態(tài)，已經(jīng)證明有利的是熱時(shí)效至少進(jìn)行2個(gè)小時(shí)。在實(shí)用的實(shí)施方式中為熱時(shí)效規(guī)定的時(shí)間通常為2-4小時(shí)。

根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的澆鑄件由此特征在于，其由具有以下組成(重量％)的alcu合金組成：6-8％的cu，0.3-0.55％的mn，0.15-0.25％的zr，最多0.25％的fe，最多0.125％的si，0.05-0.2％的ti，最多0.04％的v，其余為鋁和不可避免的雜質(zhì)并且該澆鑄件這里具有這樣的結(jié)構(gòu)，其平均晶粒大小小于100μm，尤其小于80μm。

這里根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)并獲得的澆鑄件在裂紋易發(fā)性最小的同時(shí)，也如其在汽車內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的使用中典型的那樣，在至少250℃的溫度下使用至少400小時(shí)后，在250℃的測試溫度下具有至少160mpa，通常至少200mpa的抗拉強(qiáng)度和至少100mpa，通常至少150mpa的屈服強(qiáng)度。

具體實(shí)施方式

接下來借助于實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步解釋。

為了測試根據(jù)本發(fā)明的方法將試驗(yàn)熔液s1，s2，s3在傳統(tǒng)熔爐中熔化，其組成在表1中給出。

這里熔液s1，s2，s3在熔爐里分別在th的保持溫度下保持th的時(shí)間。

接著在真正的澆鑄之前進(jìn)行傳統(tǒng)的排氣操作，該操作中對(duì)各個(gè)熔液s1，s2，s3進(jìn)行額外大強(qiáng)度的徹底攪拌，以達(dá)到好的混合。

在接下來進(jìn)行的各次澆鑄生產(chǎn)中分別由熔液s1，s2，s3澆鑄為澆鑄件g1-g4(熔液s1)，g5(熔液s2)和澆鑄件g6，g7(熔液s3)。澆鑄件g1-g5是用于柴油內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸蓋，與此相對(duì)，待澆鑄的澆鑄件g6，g7是汽油驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸蓋。

為了鑄造澆鑄件g1-g7，在各個(gè)澆鑄生產(chǎn)中從熔爐中借助于傳統(tǒng)的澆鑄取樣勺分別取出熔液s1，s2，s3足夠量的份。

向包含在澆鑄取樣勺中的熔液份中分別添加dkf劑量的tib。

各個(gè)熔液份的澆鑄利用通過關(guān)鍵詞“rotacast”已知的旋轉(zhuǎn)澆鑄方法在傳統(tǒng)的如ep1155763a1中描述的旋轉(zhuǎn)澆鑄機(jī)中進(jìn)行。

在凝固和脫模后將得到的澆鑄件在固溶退火溫度tlg進(jìn)行tlg時(shí)長的固溶退火。

固溶退火結(jié)束后將該澆鑄件從各個(gè)相應(yīng)的固溶退火溫度tlg以冷卻速率das淬火到淬火停止溫度tas。

接著進(jìn)行澆鑄件g1-g7的熱時(shí)效處理。這里將澆鑄件在各個(gè)相應(yīng)的熱時(shí)效溫度twa下保持twa的時(shí)間。

表2中給出了這樣得到的澆鑄件中的每一個(gè)g1-g7的鑄造熔液，以及參數(shù)保持時(shí)間th，保持溫度th，劑量dkf，固溶退火溫度tlg，固溶退火時(shí)間tlg,淬火停止溫度tas，冷卻速率das，熱時(shí)效時(shí)間twa和熱時(shí)效溫度twa。

在降溫至室溫后確定的結(jié)構(gòu)的平均晶粒度，抗拉強(qiáng)度rm，屈服強(qiáng)度rp0.2和延伸率a記錄在表3中。

可以看到，以過小的冷卻速率das在固溶退火之后淬火的澆鑄件g3與以根據(jù)本發(fā)明的方法熱處理過的由同一熔液s1澆鑄而成的澆鑄件g1，g2和g4相比有著明顯更小的抗拉強(qiáng)度rm和同樣明顯更低的屈服強(qiáng)度rp0.2。

由此，本發(fā)明給出了一種用于實(shí)用地，操作安全地生產(chǎn)alcu合金制澆鑄件的方法，該alcu合金組成為(重量％)：6-8％的cu，0.3-0.55％的mn，0.15-0.25％的zr，最多0.25％的fe，最多0.125％的si，0.05-0.2％的ti，最多0.04％的v，其余為鋁和不可避免的雜質(zhì)。根據(jù)該合金組成熔化的熔液在730-810℃保持4-12小時(shí)然后至少用力充分?jǐn)嚢枰淮?。緊接著將熔液按份澆鑄成為各個(gè)澆鑄件，然后將該澆鑄件在475-545℃下進(jìn)行1-16小時(shí)的固溶退火。由該固溶退火溫度出發(fā)，將該澆鑄件淬火至最高300℃，其中經(jīng)過淬火過程的500-300℃溫度范圍的冷卻率為0.75-15k/s。之后將澆鑄件在150-300℃溫度下進(jìn)行1-10h的熱時(shí)效處理。最后將澆鑄件冷卻至室溫。