在高壓模具鑄件中確定表層厚度的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明大體涉及在高壓模具鑄造(HPDC)鋁合金中性質的量化，以及更確切地指來精確測量此類鑄造部件中的表層厚度的改進的金相學定量方法。
【背景技術】
[0002]HPDC (也稱作模具鑄造)通常廣泛使用在輕質鋁合金部件的生產(chǎn)中，以及確切地用于汽車部件，例如發(fā)動機缸體和變速箱，以及活塞或者懸掛零件。對于大規(guī)模生產(chǎn)的低成本、精密的尺寸公差(近凈成形)以及光滑的表面拋光是使得HPDC如此具有吸引力的完全積極的屬性。不同于通常不在HPDC中使用的合金(例如319或356)，例如380、383、390或者類似的某些鋁合金由于其成本、強度、流動性以及大體良好的抗腐蝕性品質而尤其適合于HPDC0
[0003]常規(guī)HPDC工藝的一個缺點在于起源于HPDC工藝獨有的動力學的鑄件中多孔性的存在，這些零件經(jīng)受不起熱處理。如此，HPDC產(chǎn)生的鋁零件通常被認為是具有圍繞內部區(qū)域的外部表層區(qū)域。在此類結構中，通常與表層相關的區(qū)域呈現(xiàn)相對無缺陷的、密集的微觀結構，且比與內部區(qū)域相關的區(qū)域具有更好的機械性質，在與內部區(qū)域相關的區(qū)域中存在空隙、多孔以及相關缺陷。這些缺陷通常可歸因于多個因素，其中一個因素是在固化期間合金從低密度液體金屬至高密度固體鑄件的收縮。另一個起作用的因素在于氣體的形成，例如來自于模具壁潤滑劑的分解的氫氣或蒸汽，而還有的另一個因素在于任何的截留空氣，其是由于模具填充以熔融金屬的快速性而發(fā)生。
[0004]因此，HPDC表現(xiàn)出獨特的設計難題。除了上述的機械性質的特定位置的屬性，常規(guī)設計方法假設在整個鑄造部件上存在均勻的微觀結構和性質，這之中許多是由于很難精確確定表層厚度。此類簡化假設會反過來引起通過有限元分析(FEA)或者相關定量分析工具的部件結構性質的不實際的預計。不準確預計會在部件故障分析中尤其存在問題，因為這會引起部件的昂貴的質保工作或效率低的保守設計；在任一種情形中，此類不準確性影響部件設計者來完全利用HPDC材料和工藝的能力。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明人已經(jīng)確定對于表層厚度的準確定量理解對于發(fā)展將引起HPDC生產(chǎn)的鋁合金部件中微觀結構和相關可靠性改良的制造工藝是至關重要的。為此目的，其已經(jīng)研發(fā)出來量化HPDC鋁零件中局部表層厚度的新的金相學方法。特別地，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)表層區(qū)域中的共晶相體積分數(shù)大于在內部(核心)區(qū)域中的共晶相體積分數(shù)，這是由于相對于內部區(qū)域的剩余的固化液體在固化的表層區(qū)域中具有更快的冷卻(以及減小的溶質擴散)速率。這能夠在圖像分析中使用特別研發(fā)的例程自動測量和與表層厚度相關聯(lián)。特別地，本發(fā)明人已經(jīng)意識到表層厚度與從鑄件自由表面至其中的共晶相體積分數(shù)從較高值變化至較低值的位置處(基于上述的冷卻和擴散動力學)的距離是相關聯(lián)的。此文中所確定的方法將提供魯棒的和快速的措施來更準確地確定HPDC鑄造部件中由于表層厚度而引起的性質變化。這反過來有助于設計者以高度的準確性預計部件性能和耐久性，其產(chǎn)生改進的、更有效的且伴隨有質保成本減小的產(chǎn)品設計。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，公開了在HPDC金屬鑄件中確定表層厚度的方法。特別地，本方法允許通過共晶體積分數(shù)的測量而準確確定表層厚度。該方法包括接收金屬鑄造樣本或者樣品中感興趣位置的圖像(或者多個圖像)。在一種形式中，該圖像包括各個場的大的拼接，各個場以某種方式組成樣品以將所接收圖形劃分成能夠更容易地量化掃描圖像的共晶和非共晶部分的更小的幾何柵格形狀。當已經(jīng)接收待分析樣本的圖像時，確定共晶體積分數(shù)。然后通過在HPDC金屬鑄件中所使用的預定(S卩，已知)量的已知合金(例如380或者類似物)，此體積分數(shù)與表層厚度相關聯(lián)。
[0007]在一個特定形式中，預計量由已知合金的相圖(例如二元相圖)上的特定位置組成。同樣地，圖像接收能夠通過圖像分析系統(tǒng)實施，同時共晶體積分數(shù)的確定優(yōu)選地通過量化對比所接收圖像在部件中感興趣的位置內的每個深度層處的明和暗部分來實施。算法(其能夠以一種由處理器或相關計算裝置實施的形式)使用固相線、溶線和共晶等溫線以及已知的主要合金組分(例如在380和其它HPDC兼容合金的情況下的鋁和硅)的初始液體合金濃度之間的各個匯合點實施理想化的合金與所接收圖像的比較。以此方式，能夠知道的是基于預計的和測量的值之間的差值準確確定外部區(qū)域(其對應于表層厚度)終止的地方和內部區(qū)域(其對應于包含在表層厚度內的層)開始的地方。
[0008]在另一特定形式中，該方法包括配置計算化系統(tǒng)來接收與部件的樣本中感興趣位置的不同深度相對應的大量圖像。由此，在每個所接收圖像內的共晶分數(shù)能夠通過量化對比圖像上的部分確定，在此之后確定的體積分數(shù)與已知合金的預計相圖量相比較。以此方式，使用在預計量與確定的體積分數(shù)之間的差值來與表層厚度相關聯(lián)。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在HPDC部件中確定表層厚度的方法包括配置圖像分析系統(tǒng)來接收與部件樣本中感興趣位置的不同深度相對應的圖像。由此，在每個所接收圖像內的共晶體積分數(shù)能夠通過量化對比部分以及將確定的體積分數(shù)與在部件中所使用的已知合金的預計相圖量相比較來確定。如上地，在預計量與確定的體積分數(shù)之間的差值與表層厚度相關聯(lián)。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的再一方面，公開了包括計算機可用介質以用于確定高壓模具鑄造部件中的表層厚度的制品，其中計算機可用介質具有嵌入其中的計算機可讀程序代碼。
[0011]根據(jù)本發(fā)明，進一步包括下列技術方案:
1.一種確定高壓模具鑄造部件中的表層厚度的方法，所述方法包括:
接收與所述部件的樣本中的感興趣位置的不同深度相對應的多個圖像；
確定所述多個所接收圖像的每個內的共晶體積分數(shù)；
將所述確定的體積分數(shù)與預計量相比較；以及使所述比較中的差與所述表層厚度相關聯(lián)。
[0012]2.根據(jù)方案I所述的方法，其中所述預計量包括在所述部件中使用的已知合金的相圖上的特定位置。
[0013]3.根據(jù)方案2所述的方法，其中所述接收由圖像分析系統(tǒng)來執(zhí)行，所述圖像分析系統(tǒng)具有其中編程的至少一個算法。
[0014]4.根據(jù)方案3所述的方法，其中所述確定共晶體積分數(shù)包括使用量化對比各個所述接收圖像的明和暗的部分。
[0015]5.根據(jù)方案4所述的方法，其中所述至少一個算法執(zhí)行所述比較。
[0016]6.根據(jù)方案5所述的方法，其中所述確定共晶體積分數(shù)由所述算法通過下列計算執(zhí)行:
體積%共晶內部區(qū)域-BC/BD 體積%共晶外部區(qū)域-AC/AE
其中A代表在所述相圖上與對于所述部件中使用的合金的外部區(qū)域的溶線、固相線和共晶等溫線的交點相對應的位置，B代表在所述相圖上與對于所述部件中使用的合金的內層區(qū)域的溶線、固相線和共晶等溫線的交點相對應的位置，C代表在所述部件中使用的合金的鋁或硅的初始液體合金濃度，D代表在所述相圖上與對于所述部件中使用的合金的內層區(qū)域的共晶點相對應的位置，以及E對應于所述部件中使用的合金的外層區(qū)域的共晶點。
[0017]7.根據(jù)方案6所述的方法，其中所述外部區(qū)域與所述表層厚度相對應，且所述內部區(qū)域與包含在所述表層厚度內的層相對應。
[0018]8.一種確定高壓模具鑄造部件中的表層厚度的方法，所述方法包括: