EP2311996A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Gussteilen mittels Infrarotstrahlen - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method and a device for heat treatment of castings, in particular of light metal die castings by solution annealing, cooling and aging, wherein the castings are solution-annealed by means of infrared rays for preferably one to five minutes, then quenched and hot aged for preferably two to five minutes ,
- the castings are removed after casting the mold, cooled and optionally solution-treated after a mechanical treatment in a separate plant / furnace, air quenched and panned warm. Usually this electric or gas-fired furnaces are used. Typical heating times of the components to the solution annealing temperature are about 10 to 20 minutes.
- FIG. 1 shows the dependence of the strength properties of an AlCuMg casting alloy on the maximum solution annealing temperature, whereby a sudden, serious decrease of the maximum values can be observed for both the tensile strength R m and R p 0.2 and for the elongation A 5 after a steady increase.
- the cooling rate can be sufficient to even in the casting state to keep a part of the hardening components excessively dissolved and thus to bring about a certain hardening effect.
- the cooling rates within the casting are different, so that the strength values may unintentionally differ.
- the conditions of the solution annealing treatment must be strictly adhered to, so that on the one hand the curing effect is fully utilized and, on the other hand, no melting can occur which would render the workpiece completely unusable.
- the solution annealing time is another parameter of the heat treatment, which also has to be adapted exactly to the manufacturing process. This is particularly difficult in the usual heat treatment, since only the effective annealing time of the workpiece at the prescribed solution annealing temperature (metal temperature), ie without warm-up time must be considered.
- the method according to the invention for the heat treatment of cast parts is characterized in that the cast parts are solution annealed by means of infrared rays for a period between one second and one hour, preferably one to five minutes quenched for one second to one hour, preferably two to five minutes and warm outsourced.
- the quenching and removal preferably takes place in a single step or successive steps.
- the preferred method steps used are a die casting process in a die casting mold, removal of the diecasting die from the die casting die, solution heat treatment of the diecasting die, preferably in a solution annealing zone and quenching, preferably after aging in a quenching and aging zone.
- the removal of the casting can be done both before and after the solution annealing.
- a mechanical processing zone is preferably arranged before or after the location of the removal, in which a punching or a calibration step takes place.
- a particularly good energy balance of this process is achieved when the process steps as in the process for heat treatment of castings after FIG. 2a be performed.
- a mold or die casting in a mold which is preferably divided, is performed, and this mold is opened.
- the casting is then removed from the mold. Thereafter, the casting is solution annealed with infrared rays, preferably quenched for 1 to 5 minutes and then, preferably for 2 to 5 minutes. Finally, the casting is outsourced warm.
- Another preferred method further improves the energy balance of the process.
- the process steps as in the process scheme for Heat treatment of castings FIG. 2 B be performed.
- a molding or pressure casting is carried out in a mold, which is preferably divided, and this mold is opened.
- the casting is then not removed from the mold, but solution heat treated directly with infrared rays, preferably for 1 to 5 minutes. Thereafter, the casting is quenched during the spraying of the mold and only then removed. Finally, the casting is outsourced warm.
- an aluminum or magnesium die cast alloy is used as the alloy, and the die cast part is solution heat treated after removal from the mold by means of infrared radiation.
- an infrared radiation having wavelengths in the range of 0.8 .mu.m and 100 .mu.m, preferably from 1 to 3.5 .mu.m, particularly preferably from 2 .mu.m to 3.5 .mu.m, is used.
- This preferred range should be used in particular for a cast or die cast part made of aluminum or an aluminum alloy.
- the quenching of the cast or die cast parts after heating to solution annealing temperature is preferably done in water, in a polymer or in air.
- an IR source can be used. Suitable IR sources are known to the person skilled in the art.
- these sources consist of a number of areal radiators.
- the number of active radiators is adapted in a preferred embodiment to the dimensions of the casting.
- the casting can be heated from several sides.
- punching of the die-cast parts takes place in the soft state.
- the annealing temperatures are preferably measurable via non-contact sensors, wherein the infrared radiator can be switched off after reaching the solution temperature.
- the first handling device pivots the die cast part from the solution annealing zone into the quench zone, while a second handling device removes the next die cast part from the die casting mold and conveys it into the solution annealing zone of the infrared radiator.
- the IR radiation is focused exclusively on the component; it is only the component heated.
- the method according to the invention can be used with aluminum parts, in particular with infrared radiation, which lies in the wavelength range from 1 to 3.5 ⁇ m. If the proportion of liquid, for example, the proportion of releasing agent residues, on the component surface is large, a wavelength range of 2 to 3.5 ⁇ m should preferably be applied.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Gussteilen, insbesondere von Leichtmetall-Druckgussteilen durch Lösungsglühen, Abkühlen und Auslagern, wobei die Gussteile mittels Infrarotstrahlen für vorzugsweise ein bis fünf Minuten lösungsgeglüht, danach für vorzugsweise zwei bis fünf Minuten abgeschreckt und warm ausgelagert werden.
- Üblicherweise werden die Gussteile nach dem Gießen der Form entnommen, abgekühlt und gegebenenfalls nach einer mechanischen Bearbeitung in einer separaten Anlage/Ofen lösungsgeglüht, luftabgeschreckt und warm ausgelagert. Üblicherweise werden hierfür elektrisch oder gasbeheizte Öfen verwendet. Typische Aufheizzeiten der Bauteile auf die Lösungsglühtemperatur liegen bei ca. 10 bis 20 Minuten.
- Je nach Temperaturhöhe und Behandlungsdauer kann mit einer derartigen Wärmebehandlung die Festigkeit von Gusslegierungen, insbesondere von aushärtbaren Leichtmetall-Druckgusslegierungen wesentlich beeinflusst werden.
FIG. 1 zeigt die Abhängigkeit der Festigkeitseigenschaften einer Gusslegierung vom Typ AlCuMg von der maximalen Lösungsglühtemperatur, wobei sowohl für die Zugfestigkeit Rm und Rp 0,2 als auch für die Dehnung A5 nach einem stetigen Anstieg ein plötzlicher, gravierender Abfall der Maximalwerte feststellbar ist. - Die mit dem Lösungsglühprozess verbundenen metallkundlichen Vorgänge sind je nach Legierungstyp unterschiedlich. So kann bei bestimmten Gusslegierungen in metallischen Dauerformen die Abkühlungsgeschwindigkeit ausreichen, um schon im Gusszustand einen Teil der aushärtenden Bestandteile überschüssig gelöst zu halten und somit einen gewissen Aushärtungseffekt zu bewirken. Je nach Struktur der Bauteile sind aber die Abkühlungsgeschwindigkeiten innerhalb des Gussteiles unterschiedlich, sodass auch die Festigkeitswerte unbeabsichtigt differieren können.
- Bei bestimmten Legierungen wie z.B. einer Aluminiumlegierung vom Typ AlCuMg müssen die Bedingungen der Lösungsglühbehandlung genau eingehalten werden, damit einerseits der Aushärtungseffekt voll ausgenutzt wird und andererseits noch kein Anschmelzen auftreten kann, das das Werkstück völlig unbrauchbar machen würde. Die Lösungsglühdauer ist ein weiterer Parameter der Wärmebehandlung, der ebenfalls genau auf den Herstellungsprozess abgestimmt werden muss. Dies ist bei der üblichen Wärmebehandlung besonders schwierig, da nur die effektive Glühzeit des Werkstücks bei der vorgeschriebenen Lösungsglühtemperatur (Metalltemperatur), also ohne Anwärmzeit berücksichtigt werden muss.
- Beim Abschreckprozess kommt es wiederum darauf an, dass das Temperaturgebiet zwischen Lösungsglühtemperatur und etwa 200°C möglichst rasch durchlaufen wird, um ein vorzeitiges Ausscheiden der überschüssig gelösten Bestandteile der Legierung zu vermeiden. Unter Umständen ist auch der Transport eines Gussteiles nach dem Lösungsglühen bei der Entnahme aus dem Glühofen kritisch, da jede Verzögerung vor dem Abschrecken die Festigkeit und auch die Korrosionsbeständigkeit ungünstig beeinflussen kann. Dies gilt insbesondere für die bei der herkömmlichen Wärmebehandlung von Großserienteilen übliche chargenweise Behandlung in Mehrkammeröfen.
- Ausgehend von diesem Stand der Technik wollen die Erfinder ein Verfahren der eingangs genannten Art für die Anwendung bei der Wärmebehandlung von im Druckgussverfahren hergestellten Großserienteilen entwickeln, wobei folgende Eigenschaften verbessert bzw. erstmalig ermöglicht werden sollen:
- Verbesserung der Energiebilanz
- Verringerung des Verzugs aufgrund von Wärmebehandlungsmaßnahmen (Verbesserung der Maßhaltigkeit)
- Gezieltes, punktuelles Erhitzen im Bereich hochbeanspruchter Bauteile
- Verbesserung des Emissionsverhaltens
- Bessere Abstimmung der Taktzeiten beim Lösungsglühen und Abschrecken
- Bessere Überwachung der Glühtemperaturen und Glühzeiten
- Größere Flexibilität für die mechanische Bearbeitung während der Wärmebehandlung
- Die vorbeschriebenen Verbesserungen und die sich daraus ergebende Aufgabenstellung werden erfindungsgemäß mit den in den Patentansprüchen 1 bis 9 angegebenen Merkmalen erreicht bzw. gelöst.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zur Wärmebehandlung von Gussteilen, insbesondere von Leichtmetall-Druckgussteilen mit den Schritten Lösungsglühen, Abkühlen und Auslagern zeichnet sich dadurch aus, dass die Gussteile mittels Infrarotstrahlen für einen Zeitraum zwischen einer Sekunde und einer Stunde, vorzugsweise ein bis fünf Minuten lösungsgeglüht werden, danach für eine Sekunde bis eine Stunde, vorzugsweise zwei bis fünf Minuten abgeschreckt und warm ausgelagert werden.
- Die Abschreckung und Auslagerung erfolgt dabei bevorzugt in einem einzigen Schritt oder aufeinander folgenden Schritten.
- Die bevorzugt angewandten Verfahrensschritte sind ein Druckgießprozess in einer Druckgussform, eine Entnahme des Druckgussteiles aus der Druckgussform, Lösungsglühen des Druckgussteiles, vorzugsweise in einer Lösungsglühzone und eine Abschreckung, vorzugsweise nach Auslagerung in einer Abschreck- und Auslagerungszone.
- Die Entnahme des Gussteils kann dabei sowohl vor als auch nach dem Lösungsglühen erfolgen.
- Dabei ist bevorzugt vor oder nach dem Ort der Auslagerung eine mechanische Bearbeitungszone angeordnet, in der eine Stanzung oder ein Kalibrierschritt erfolgt.
- Eine besonders gute Energiebilanz dieses Verfahrens wird erreicht, wenn die Verfahrensschritte wie in dem Verfahrensschema zum Wärmebehandeln von Gussteilen nach
FIG. 2a durchgeführt werden. - In diesem bevorzugten Verfahren wird zunächst ein Form- oder Druckguss in einer Form, die bevorzugt geteilt ist, durchgeführt, und diese Form geöffnet.
- Das Gussteil wird darauf hin der Form entnommen. Danach wird das Gussteil mit Infrarotstrahlen lösungsgeglüht, vorzugsweise für 1 bis 5 Minuten und dann, vorzugsweise für 2 bis 5 Minuten, abgeschreckt. Zum Schluss wird das Gussteil warm ausgelagert.
- Ein weiteres bevorzugtes Verfahren verbessert die Energiebilanz des Verfahrens weiter. Dazu müssen die Verfahrensschritte wie in dem Verfahrensschema zum Wärmebehandeln von Gussteilen nach
FIG. 2b durchgeführt werden. - In diesem besonders bevorzugten Verfahren wird ebenfalls zunächst ein Form- oder Druckguss in einer Form, die bevorzugt geteilt ist, durchgeführt, und diese Form geöffnet.
- Das Gussteil wird darauf hin nicht der Form entnommen, sondern direkt mit Infrarotstrahlen lösungsgeglüht, vorzugsweise für 1 bis 5 Minuten. Danach wird das Gussteil während des Sprühens der Form abgeschreckt und erst dann entnommen. Zum Schluss wird das Gussteil warm ausgelagert.
- In einem bevorzugten Verfahren wird als Legierung eine Aluminium- oder Magnesium-Druckgusslegierung verwendet, und das Druckgussteil nach Entnahme aus der Form mittels Infrarotstrahlung lösungsgeglüht.
- In einem weiteren bevorzugten Verfahren wird eine Infrarotstrahlung mit Wellenlängen im Bereich von 0,8 µm und 100 µm, vorzugsweise von 1 bis 3,5 µm, besonders bevorzugt von 2 µm bis 3,5 µm, verwendet. Dieser bevorzugte Bereich sollte insbesondere für ein Guss- oder Druckgussteil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung verwendet werden.
- Die Abschreckung der Guss- oder Druckgussteile nach dem Erhitzen auf Lösungsglühtemperatur geschieht vorzugsweise in Wasser, in einem Polymer oder an Luft.
- Zur Erzeugung der Infrarotstrahlung kann eine IR-Quelle verwendet werden. Geeignete IR-Quellen sind dem Fachmann bekannt.
- Oftmals bestehen diese Quellen aus einer Anzahl von flächig angeordneten Strahlern. Die Anzahl der aktiven Strahler wird in einer bevorzugten Ausführungsform auf die Dimensionen des Gussteils angepasst.
- Falls notwendig kann das Gussteil von mehreren Seiten erhitzt werden.
- In einem weiteren bevorzugten Verfahren erfolgt nach dem Abschrecken und vor der Auslagerung eine Stanzung der Druckgussteile im weichen Zustand.
- Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens einer Wärmebehandlung von Druckgussbauteilen enthält mindestens ein erstes Handhabungsgerät zur Entnahme des Druckgussteiles aus der Druckgussform, das vor einem Infrarotstrahler in die Lösungsglühzone schwenkbar ist. Die Glühtemperaturen sind dabei bevorzugt über berührungslos arbeitende Sensoren messbar, wobei der Infrarotstrahler nach Erreichen der Lösungstemperatur abschaltbar ist.
- Das erste Handhabungsgerät schwenkt dabei das Druckgussteil aus der Lösungsglühzone in die Abschreckzone, während ein zweites Handhabungsgerät das nächste Druckgussteil aus der Druckgussform entnimmt und in die Lösungsglühzone des Infrarotstrahlers befördert.
- Beispiele für das erfindungsgemäße Verfahren sind in den Abbildungen dargestellt. Es zeigen:
- FIG. 1:
- Festigkeits- und Dehnungsverhalten bei einem konventionellen Prozess mit Stufenglühung und Einfachglühung
- FIG. 2a:
- Verfahrensschema zum Wärmebehandeln von Gussteilen mit verbesserter Energiebilanz; schematisierter Verfahrensablauf als Blockdiagramm
- FIG. 2b:
- Verfahrensschema zum Wärmebehandeln von Gussteilen mit verbesserter Energiebilanz; schematisierter Verfahrensablauf als Blockdiagramm
- FIG 3:
- Schematische Darstellung des IR Wärmetransfers; prinzipieller Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
- Im Folgenden werden die Vorteile der Erfindung anhand eines Vergleiches bei der Energiebilanz erläutert. Hierbei sollen die verbrauchten Energien bei einem herkömmlichen Prozess im Vergleich zu denen bei einer Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt werden.
-
- Q = die total verbrauchte Energie für den gesamten Prozess
- QT = die Wärme (durch Radiation), die notwendig ist, um die Bauteiltemperatur auf die Temperatur T zu erhöhen
- Qu= die Wärme (durch Radiation), die notwendig ist, um die Temperatur der eventuellen Trennmittelreste auf der Bauteiloberfläche auf die Temperatur T zu erhöhen
- Qe = die Wärme (durch Radiation), die notwendig ist, um die Verdampfung der eventuellen Trennmittelreste auf der Bauteiloberfläche hervorzurufen
- η = Wirkungsgrad
- Gs = Bauteilgewicht
- Cs = Spezifische Wärme des Bauteiles
- Gu = Gewicht der verdampften Flüssigkeit
- Cu = Spezifische Wärme der Flüssigkeit
- as = IR-Absorptionsfaktor des Bauteiles (IR = InfraRot)
- au= IR-Absorptionsfaktor der Flüssigkeit
- cv = Verdampfungswärme der Flüssigkeit
-
- η = Wirkungsgrad
- QN = die Wärme, die notwendig ist, um die Charge zu erhitzen
- Qp = die gesamt produzierte Wärme
-
- Wo:
- QN = die Wärme, die notwendig ist, um die Charge zu erhitzen
- Qaux = die Wärme, die notwendig ist, um die komplette Umgebung (Ofenraum, Gestell, elektrische Elemente usw.) zu erhitzen
- QUV = der Wärmeverlust, der durch die unvollständige Gasverbrennung entsteht (im Falle einer Gasbeheizung)
- QFL = der Wärmeverlust, der durch die Erhitzung der falschen Luft entsteht (im Falle einer Gasbeheizung)
- QX = der unvorhersehbare Wärmeverlust
- IR = Infrarotvariante
- H = herkömmliche Variante
- Die IR-Strahlung wird ausschließlich auf das Bauteil fokussiert; es wird ausschließlich das Bauteil erhitzt.
-
-
- Praktische Versuche haben gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren bei Aluminiumteilen insbesondere mit einer Infrarotstrahlung angewendet werden kann, die im Wellenlängenbereich von 1 bis 3,5 µm liegt. Falls der Anteil von Flüssigkeit, zum Beispiel der Anteil von Trennmittelresten, auf der Bauteiloberfläche groß ist, sollte ein Wellenlängenbereich von 2 bis 3,5 µm bevorzugt angewendet werden.
Claims (9)
- Verfahren zur Wärmebehandlung von Gussteilen, insbesondere von Leichtmetall-Druckgussteilen durch Lösungsglühen, Abkühlen und Auslagern, dadurch gekennzeichnet, dass die Gussteile aus der Form mittels Infrarotstrahlen lösungsgeglüht, danach abgeschreckt und warm ausgelagert werden.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Herstellung des Gussteils dieses der Form entnommen wird, danach mit Infrarotstrahlen, vorzugsweise für 1 bis 5 Minuten, lösungsgeglüht wird, dann, vorzugsweise für 2 bis 5 Minuten, abgeschreckt, und anschließend warm ausgelagert wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Herstellung des Gussteils dieses in der Form mit Infrarotstrahlen, vorzugsweise für 1 bis 5 Minuten, lösungsgeglüht wird, danach, vorzugsweise während des Sprühens der Form, abgeschreckt und erst dann entnommen und anschließend warm ausgelagert wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Legierung eine Aluminium- oder Magnesium-Druckgusslegierung verwendet wird und das Druckgussteil nach Entnahme aus der Form mittels Infrarotstrahlung lösungsgeglüht wird.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Guss- oder Druckgussteil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung eine Infrarotstrahlung mit Wellenlängen im Bereich von 1 bis 3,5 µm angewendet wird.
- Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wellenlänge im Bereich von 2 bis 3,5 µm angewendet wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Guss- oder Druckgussteile nach Erhitzen auf Lösungsglühtemperatur in Wasser, Polymer oder an Luft abgeschreckt werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abschrecken und vor der Auslagerung eine Stanzung im weichen Zustand der Druckgussteile erfolgt.
- Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens einer Wärmebehandlung von Druckgussbauteilen, bestehend aus einem Druckgießprozess in einer Druckgussform, der Entnahme des Druckgussteiles aus der Druckgussform, einem Lösungsglühen des Druckgussteiles in einer Lösungsglühzone und einer Auslagerung in einer Abschreck- und Auslagerungszone, wobei vor oder nach der Auslagerung eine mechanische Bearbeitungszone angeordnet ist, in der eine Stanzung oder ein Kalibrierschritt erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein erstes Handhabungsgerät zur Entnahme des Druckgussteiles aus der Druckgussform aufweist, das vor einem Infrarotstrahler in die Lösungsglühzone schwenkbar ist, dass die Glühtemperaturen über berührungslos arbeitende Sensoren messbar sind, wobei der Infrarotstrahler nach Erreichen der Lösungstemperatur abschaltbar ist und dass das erste Handhabungsgerät das Druckgussteil aus der Lösungsglühzone in die Abschreckzone schwenkt, während ein zweites Handhabungsgerät das nächste Druckgussteil aus der Druckgussform entnimmt und in die Lösungsglühzone des Infrarotstrahlers befördert.
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