DE2512866A1 - Verfahren zum oertlichen haerten von aluminiumlegierungen - Google Patents

Description

Verfahren zum örtlichen Härten von Aluminiumlegierungen

Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zum Aushärten von Werkstücken, insbesondere von geschmiedeten oder gesenkgeschmiedeten Werkstücken aus Aluminiumlegierungen. Mit Hilfe dieses Verfahrens lassen sich die beim Aushärten zurückbleibenden Restspannungen vermindern, während gleichzeitig die mit Hilfe des üblichen Verfahrens erzielten metallurgischen Eigenschaften beibehalten oder sogar verbessert werden.

Die bisher angewandten Mittel zum Aushärten, beispielsweise kaltes Wasser, führen nach dem Warmauslagern oder Kaltauslagern zu ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften der betreffenden Werkstücke. Bei bestimmten besonders zusammengesetzten Legierungen jedoch und bei bestimmten Arten von massiven oder kompliziert geformten Werkstücken beobachtet man nach dem Aushärten ein erhöhtes Ausmaß an Spannungen und lokale Spannungsspitzen. Dies zeigt sich beispielsweise durch Deformation der Werkstücke beim Aushärten oder auch erst beim Verarbeiten, wenn durch örtliche Materialverringerung ein Ungleichgewicht der im Werkstück enthaltenen

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Spannutigsverhältnisse auftritt. Manchmal beobachtet man Härterisse, das heißt Risse oder Spalten, die dort auftreten, wo die Spannungsspitzen. vorliegen..

Man kann das Auftreten derartiger Fehler oder Schäden entweder durch Aushärten in heißem oder sogar siedendem Wasser oder durch einen zusätzlichen Arbeitsgang verhindern und zwar durch eine Kaltumformung unmittelbar nach dem Aushärten. Ersteres führt zu einer allgemeinen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften, die je nach der Art der Legierung stärker oder schwächer ausgeprägt ist. Zweites läßt sich abgesehen davon, daß ein zusätzlicher Arbeitsgang erforderlich ist - nicht auf komplizierte gesenkgeschmiedete Werkstücke anwenden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt nicht nur die Beibehaltung ausreichender Abkühlgeschwindigkeit an jedem Punkt des Werkstückes, sondern auch die Einhaltung eines gleichmäßigen Temperaturgradienten im Härtebad, so daß die inneren Spannungen insgesamt und insbesondere die lokalen Spannungsspitzen vermindert werden.

Nach der Erfindung wird vor dem Aushärten auf die Werkstücke differenziert, den Formen des Werkstückes angepaßt, ein Überzug aufgebracht.

Auf massiven Teilen, auf bestimmten Anschlußbereichen und auf Bohrungen benachbarten Bereichen beschleunigt man die Abkühlgeschwindigkeit mit Hilfe eines Überzugs, der die Ausbildung einer Dampfhaut auf der Oberfläche (calefaction) verhindert. Dieser thermisch isolierende Überzug verhindert die Ausbildung eines kontinuierlichen Dampffilmes an der Oberfläche des Werkstückes, wenn dieses bei einer Temperatur von 460 bis 53O⁰G - je nach Art der Legierung - in das Härtebad getaucht wird. Man beobachtet vom beginnenden Eintauchen an ein örtliches Sieden mit wesentlich stärkeren Wärme— strömungen als im Falle der Entstehung einer Dampfhaut auf

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heißen Oberfläche.

Auf dünnen Werkstückbereichen oder Bereichen ohne plötzlichen Dickenunterschied läßt man ,jedoch eine geringe Zeit die Entstehung einer Dampfhaut zu durch nicht-Beschichten· mit dem Mittel infolge einer Maskierung mit einer dünnen Aluminiumoxidschicht.

Auf noch dünnere Werkstücksbereiche und auf Bleche wird ein leitender überzug anstelle der Aluminiumoxidschicht aufgebracht zur Modifizierung der Oberflächenbeschaffenheit und Verstärkung der Bildung der Dampfhaut.

Aus der GB-PS 931 865 und der PR-PS 1 393 109 ist bekannt, auf Werkstücke vor dem Härten einen isolierenden Überzug aufzubringen, um die Härtungsgeschwindigkeit durch Ausschalten oder Verringerung der Zeit der Dampfhaut auf der heißen Oberfläche zu beschleunigen. Diese Überzüge auf der gesamten Oberfläche der Werkstücke bewirken aber insgesamt und nicht örtlich oder differenziert eine Erhöhung der Härtungsgeschwindigkeit und führen zu keiner meßbaren Verringerung der Spannungen.

Der Erfindung lag die überraschende Feststellung zugrunde, daß eine Kombination von blanken Bereichen und solchen mit einem wärmeisolierenden Überzug auf einem Werkstück möglich macht, die Temperaturgradienten auszugleichen und damit in beträchtlicher Weise die Härtespannungen zu verringern. Eine weitere Verbesserung besteht darin, daß man auf den Werkstücken drei Arten von Oberflächen kombiniert: a) mit einem isolierenden Überzug b) das blanke Metall und c) mit einem leitenden Überzug. Mit Hilfe dieser Kombination lassen sich auch in sehr komplexen bzw. komplizierten Pormteilen die Temperaturgradienten ausgleichen.

Eine Variante dieses verbesserten Verfahrens besteht darin, daß man das gesamte Werkstück mit einem isolierenden Überzug versieht und dann auf die dünnen Stellen und bis in die

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Anschlußbereiche der stärkeren Teile als 2. Schicht einen leitenden Überzug aufbringt. Es hat sich gezeigt - ohne daß hierfür eine Erklärung geliefert werden kann - , daß diese Kombination von Überzügen in zahlreichen Fallen zu den besten Ergebnissen führte.

Die Auswahl der Produkte für den isolierenden Überzug geschieht unter Berücksichtigung ihrer wärmeisolierenden Eigenschaften, ihrer Temperaturbeständigkeit und ihrer Temperaturwechselbeständigkeit, ihrer Haftvermögens an den "Werkstücken im Zeitpunkt des Aufbringena, beim Lösungsglühen und schließlich beim Härten.

Ausgezeichnete Ergebnisse werden mit einem Gemisch aus Bariumsulfat, Titanoxid, Uatriumsilicat und Wasser erreicht. Man kann auch eine Masse verwenden, die frisch hergestellt wird aus einem Gemisch eines Klebers auf Cellulosebasis, Glycerin, feuerfesten Mörtel und Rutil in Suspension und aus einem Gemisch von "Meudon"-Plaster suspendiert in einer Natriumsilicatlösung.

Pur die leitenden überzüge können die Pigmente beispielsweise Aluminiumpulver oder Graphitpulver oder -plättchen sein; sie werden als Suspensionen in wässrigen oder organischen Flüssigkeiten mit guten Resultaten aufgetragen, z.B. mit einem Pinsel oder mit der Spritzpistole; sie können auch durch Tauchen oder auf beliebig andere Beschichtungsweise aufgebracht werden.

Meist reicht ein Auftrag, dessen Stärke nicht kritisch ist und einige Zehntel Millimeter beträgt, im Ausnahmefall bis zu 1 mm bei einem viskosen Produkt.

Beispiel 1

Ein Drehkörper mit einem Durchmesser von etwa 350 mm, d.er im Schnitt entlang dem Durchmesser in Pig. 1 gezeigt ist,

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wurde durch Schmieden eines Knüppels aus einer Aluminiumlegierung A-U₂GN (2,6 % Gu, 1,55 $ Mg, 1,1 56 Pe, 1,15 36 Ni, 0,1 % Ti) erhalten.

Die Form des fertigen Teils ist mit durchbrochener Linie angedeutet· Man sieht, daß die Stärke im Mittelstück von 10 mm auf 1,5 mm abgearbeitet wird.

Wird die übliche Wärmebehandlung vorgenommen - d.h. 8 h bei 527⁰C, Härten in siedendem Wasser und Warmauslagern 22 h bei 203⁰C - und dann spanabhebend bearbeitet, so zeigt sich, daß unter der Einwirkung der Wärmespannungen das Mittelstück nicht eben bleibt sondern sich nach oben oder unten, je nach der Krafteinwirkung, biegt; das Blech bildet eine Blase.

Wird hingegen die erfindungsgemäße Behandlung angewandt, d.h. werden die in Fig. 1 schraffierten Werkstückteile mit einer Suspension von Titanoxid und Bariumsulfat in Natriumsilicatlösung bestrichen und der Überzug trocknen gelassen, bevor die gleiche V/ärme beha ndlu ng durchgeführt wird, so beobachtet man keinerlei Deformation des Mittelstückes. Es wird nämlich das Knicken unter Einwirkung der peripheren Spannungen konzentriert am Fuß der Rippen unterdrückt. Die mechanischen Eigenschaften in den beschichteten Werkstückbereichen waren darüberhinaus merklich verbessert: die Streckgrenze (0,2 % Dehnung) stieg von 35 hbar auf 38 hbar und die Bruchfestigkeit von 41 hbar auf 43 hbar.

Beispiel 2

Ein Fahrgestell in Form eines quadratischen Kastens von 600 mm χ 600 mm hat einen Querschnitt in etwa wie in Fig. 2 gezeigt« Es wurde aus der Aluminiumlegierung 7075 (5»8 % Za, 2,7 $> Mg, 1,5 °ß> Cu) hergestellt.

Wie in Beispiel 1 wurde der Überzug auf die schraffierten Teile aufgebracht und folgendes Programm durchgeführt:

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Lösungsglühen 6 h bei 465 C, Härten in heißem V/asser, V/armauslagern 6 h bei 107°C und 8 h bei 1713⁰C.

Vergleicht man die Eigenschaften der auf diese Ii/eise behandelten Werkstücke mit denen ohne Beschichtung nach Härtung in lauwarmem Wasser so stellt man fest:

1. Die erfindungsger^äß behandelten Werkstücke enthielten nur etwa 50 bis 60 % der Spannungen der Vergleichskörper.

2« Die Querbruchfestigkeit lag bei den erfindungsgemäßen Werkstücken bei 44,4 bis 46,6 hbar, bei den Vergleichskörpern bei 44,6 bis 48,2 hbar. Unbeschichtete in heißem V/asser gehärtete Werkstücke müßten etwa 8 hbar weniger besitzen als im lauwarmen V/asser gehärtete.Die erfindungsgemäß differenzierte Beschichtung der Werkstücke verleiht also den in heißem Wasser gehärteten Werkstücken etwa die gleiche Bruchfestigkeit wie die obigen Vergleichsprodukte, nur daß die Restspannungen um etwa den Faktor 2 geringer sind.

Die Werte für die Querdehnung betragen 6/bis 11 fo für erfindungsgemäß beschichtete und in siedendem Wasser gehärtete Werkstücke gegenüber 4 bis 9,5 ^ für in lauwarmem Wasser gehärtete Vergleichskörper.

Analog sind die Ergebnisse an Prüfkörpern ' anderer Richtung.

Beispiel 5

Ein gesenkgeschmiedetes Winkelstück der Legierung aus Beispiel 2 550 mm x 400 mm^besitzt einen im wesentlicl^der Pig.2 analogen Querschnitt. Die gesamte Oberfläche wurde mit einem isolierenden Überzug versehen und zwar einem Gemisch von Bariumsulfat, Titanoxid und Natriumsilicat; anschließend wurde ausschließlich auf die dünnen nicht schraffierten Bereiche ein leitender Überzug auf der Basis von Aluminiumpulver aufgebracht. Zum Vergleich diente ein gleichartiges unbeschichtetes Werkstück.

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Beide Werkstücke wurden der gleichen Viarmebehandlung T 73 unterworfen; nämlich Lösungsglühen 6 h bei 465⁰C, Härten in V/asser von 6O⁰C, Warmauslagern 6 h bei 107⁰C und anschließend 8 h bei 175⁰C.

Vergleicht man die mechanischen Eigenschaften der beiden Werkstücke, so zeigt sich folgendes:

1. Bei den erfindungsgemäßen Werkstücken betrugen die Querbruchfestigkeit und Streckgrenze im Mittel 47,6 bzw. 40,1 hbar in den massiven Teilen und 50,5 bzw. 43,9 hbar in den dünnen Teilen; die entsprechenden Werte der Vergleichskörper hatten 47 bzw. 39,7 hbar in den massiven 50,1 bzw. 43,7 hbar in den dünnen Teilen,

Die mechanischen Eigenschaften wurden somit durch das erfindungsgemäße Verfahren praktisch nicht verändert.

2. Wird die obere Fläche des Werkstückes bis zur horizontalen Symmetrieachse des Profils gemäß Fig. 2 abgespant , so kommt es durch die Spannungen zu einer Deformation, die durch Änderungen der Seitenteile gegenüber einer Bezugsebene gekennzeichnet v/erden kann; die Messungen wurden an verschiedenen Punkten des Werkstückes durchgeführt, die mit O, 1, 2,

3. 4 und 5 bezeichnet wurden.

In jedem dieser Punkte für erfindungsgemäße und Vergleichskörper wuräe die Lageänderung der Seitenteile nach dem spanabhebenden Bearbeiten gemessen (mm).

Meßpunkt O 1 2 3. i 2

Vergleich -1,4 -5,9 -4,9 -4,4 -4,7 -6 erf.gem. -0,6 -3,1 -2,4 -2 -2,3 -2,6 Abnahme der

Deformation 57 % 41,5% 51% 54,5% 51% 56,6 %

Die Verminderung der Spannungen betrug somit an den meisten Heßpunkten mehr als 50 %.

Patentansprüche

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Claims (4)

1. entansprüche

   1· Verfahren zum Härten von Werkstücken aus Aluminiumlegierungen, dadurch gekennzeie hnet, daß man vor dem lösungsglühen und vor dem Härten ausschließlich auf die stärksten Bereiche des Werkstückes zur örtlichen Erhöhung der Abkühl ge sohv/indiglce it einen isolierenden Überzug aufbringt, der die Ausbildung einer Dampfhaut auf der Oberfläche in der ersten Härtungsphase verhindert.

   η η -
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e

   man
   zeichnet, daß auf die ganz dünnen Bereiche einen wärmeleitenden Überzug vor dem Härten aufbringt.
3. 3. Abwandlung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch

   g e k e η η ξ e i ο h η e t , daß man dem wärmeisolierenden Überzug auf die gesamte Oberfläche des Werkstückes aufbringt und in den dünnen Bereichen auf diesen dann den wärmeleitenden Überzug*
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennze ic hnet , daß man als isolierenden Überzug eine Suspension von Erealkalisulfaten und Metalloxiden in einer Alkalisilicatlösung verwendet.

   5m Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als leitenden Überzug einen solchen auf Basis Aluminium-oder Graphitpulver verwendet,

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