制造机动车底盘零件的方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及用于制造机动车底盘零件的方法和装置，该机动车底盘零件能承受拉伸应力、压缩应力和扭力并且具有能够在各个横截面上调整的机械强度，并且还具有高的韧性和温度稳定性，所述机动车底盘零件借助永久型铸模铸造由AlSiZnMg合金制成。
【专利说明】制造机动车底盘零件的方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及制造机动车底盘零件的方法和装置，所述机动车底盘零件能承受拉伸应力、压缩应力和扭力并且具有能够在各个横截面上调整的机械强度，并且还具有高的韧性和温度稳定性，所述机动车底盘零件借助永久型铸模铸造由AlSiZnMg合金制成。
【背景技术】
[0002]借助重力铸造法或低压铸造法由人工老化合金制造高应力机动车底盘是公知的。人工老化合金包括例如G-AlSi12、G-AlSi10Mg, G-AlSi5Mg, G-Al3Si以及含铜合金，它们可以额外地包含钛、镁、镍或者镍和镁。
[0003]热处理取决于各个合金。
[0004]例如G-AlSiltlMg在520°C至530°C进行固溶热处理并且，在3至5小时的固溶热处理之后，在20°C的水中淬火。人工老化在160°C与165°C之间的温度下进行8至10小时。与铸造热处理相关的各个合金的准确数据能够在第14版的《Aluminiumtaschenbuch》的429及其后页的7.8章中找到。
[0005]就时间和金钱而言，需要在铸造工序之后执行的多级热处理是昂贵的。成功的热处理在于，准确遵守热处理规范，以及在每种情况下使用的退火炉都必须仅允许温度上的非常小的区域差异。因为老化-硬化的条件总是施加到全部部件零件上，因此其微组织不能够最佳地适应于底盘零件经受的应力，该应力在横截面上是变化的。通常地，下面的与机械强度相关的最小值必须实现:大于160MPa的屈服强度和大于5%的应变A。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种能够生产重型底盘零件的简单的和具经济效益的方法以及适用于执行所述方法的铸造装置，该底盘零件的机械强度值能够在各个横截面上进行调整，并且该底盘零件具有高的韧性和温度稳定性以及低的孔隙率，使用AlSiZnMg类型的天然老化合金。
[0007]为了实现上述目的，根据专利权利要求1的方法和根据专利权利要求5的装置被提出。所述方法的优选实施例在权利要求2至4中示出，而装置权利要求6至12示出了装置权利要求5的优选的进一步的改进。
[0008]因此，用于制造能够经受拉伸-压缩应力和扭力的机动车底盘零件的本发明方法涉及影响由AlSiZnMg合金制造的铸件的机械强度、韧性和温度稳定性。
[0009]根据本发明，铝合金包含(以重量百分率计):
[0010]Si 5-11%
[0011]Zn 4-9%
[0012]Mg 0.2-1.0%
[0013]Sr 60_500ppm
[0014]并且任选地，下面元素中的至少一种:[0015]Mo 0.01-0.15%
[0016]B 0.001-0.010%
[0017]并且最闻
[0018]Zr 0.15%
[0019]Ti 0.15%
[0020]Fe 0.30%
[0021]Cu 0.10%
[0022]以及其他的杂质
[0023]单独计最高至0.07%
[0024]总计最高至0.15%。
[0025]将该招合金烧铸在在分段式永久型铸模，该分段式永久型铸模以壳形状的方式适应于底盘零件的轮廓，所述永久型铸模的单独段在从点状到表面状配置的区域中冷却或加热，因此生产出由铝混合晶体与具有由MgZnjP /或Mg3Zn3Al2析出形成的相干相的AlSi共晶组成的枝晶间、共晶混合晶体结构，并且在固化之后，立即将铸件从铸模中移除并且自然老化。
[0026]优选地，永久型铸模/底盘的质量比是0.9:1.2，并且共晶熔体在永久型铸模壳体中以0.01至10°C /s的冷却速率间歇性地冷却或加热，从而获得具有枝晶间地分布在AlSi共晶中的金属间相的膏状固化，由`此形成AlSiZnMg混合晶体结构，其在机动车底盘零件的各个横截面上都是均匀和同一的。
[0027]为了实现熔体的晶粒细化，有利地，可以添加AlB2、Al3Ti和AlTiC形式的硼(B)和/或钛(Ti)，并且通过对熔体的处理(除气)能够调整出小于10%的密度指数。
[0028]根据本发明方法，将熔体填充到壳形永久型铸模中使得熔体自底部上升(低压永久型铸模)或者自顶部下落(重力永久型铸模)，在填充阶段，永久型铸模的壁具有350至410°C的温度，并且将熔体在受到拉伸/压缩应力的横截面处以5至10°C /s的冷却速率选择性地和间歇性地淬火，直到完全的固化出现，而将底盘零件的韧性区域以0.1至4°C/s的冷却速率冷却。
[0029]根据本发明的用于制造由AlSiZnMG合金制成的重型底盘零件的装置包括:钢底座I ;一个或多个铸模段2、3 ;脱模器系统和浇铸系统；以及进一步的用于铸模段的与水冷或空气冷却以及加热相关的温控器。由永久型铸模壳制成的铸模段2，3具有浮动地支撑在底座I上的薄壁和厚壁区域，其中厚壁区域形成为用于底座上的铸模段的支撑件，而紧固螺栓布置在薄壁区域中从而实现将铸模段准确地紧固到底座。为了冷却铸模段，水管连接件或通气连接件设置在具有点状到表面状配置的带区上，借助热传感器可以检测局部温度分布，铸模段中的各个热应力借助紧固螺栓补偿。
[0030]根据本发明的装置的进一步的改进在于，该支撑件布置在铸模段(2，3)的边缘区域中，并且支撑件均设置有定心装置和滑动面，所述滑动面对应于钢架(1)上的相应形状的相对表面。
[0031]在永久型铸模壳体的轮廓区域中，布置了脱模器，除了用于分离铸件外，脱模器也可以用于通气，并且如果有需要，用于冷却所述铸模腔。
[0032]永久型铸模可以经由缝式喷嘴和通气插入件13至16通气，其中型芯气体的吸入经由相应的连接件执行，优选在型芯座、或者芯插入件或插入零件的区域中执行。
[0033]有利地，具有点状到表面状配置的带区设置有特殊的冷却装置，例如垂直冷却孔或板式冷却装置，与点状区域(相对于直径)在10至40mm，优选为15至25mm的范围内；以及表面状带区配置为1000至50000mm2的范围内。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]下文中，借助于多个实施例的实例将对本发明进行更加详细的解释。附图显示:
[0035]图1是穿过根据本发明的装置的横截面；
[0036]图2是图1所示的根据本发明的装置的边缘区域的部分横截面；
[0037]图3是图1所示的根据本发明的装置的中央区域的部分横截面；
[0038]图4是用于根据本发明的装置的区域冷却的冷却装置的立体图；
[0039]图5是在温度传感器的区域中的穿过根据本发明的装置的部分横截面；
[0040]图6是在垂直冷却孔的区域中的穿过根据本发明的装置的部分横截面；
[0041]图7至图9是在空气冷却区域中的根据本发明的装置的三种变型；
[0042]图10是在通气口区域中的根据本发明的装置的部分横截面；
[0043]图11是用于根据本发明的装置的通气插入件的立体图；
[0044]图12至图14是根据本发明的通气口的不同的变型；
[0045]图15至图17是根据本发明的永久型铸模壁的助流器件(flow aids)和开槽(fluting)；
[0046]图18和图19是永久型铸模中的脱模器的设计和布置。
【具体实施方式】
[0047]图1示出了没有冷却或加热装置的用于机动车底盘零件生产的分段式永久型铸模的基本结构，所述机动车底盘零件能够经受拉伸-压缩应力和扭力。所述分段式永久型铸模以壳形状方式适应于机动车底盘零件的轮廓，其包括:底座1，铸模段2、3以及用于支撑底板I上的铸模段的支撑件20、30。
[0048]将铸模段2、3连接到底板I上的紧固螺栓12.1和12.2布置在插入件4的侧面，插入件4优选地由基于钨-镍的重型特种合金制成。
[0049]根据图1，铸模段2、3具有薄壁和厚壁区域，其中在根据图1的实例中，该厚壁区域被配置作为支撑件20、30。该轴承区域的更加详细的描绘参见根据图2的部分横截面。
[0050]如图2所示，支撑件20的上部分形成为布置在滑动构件23上的滑动面21，滑动构件23非固定地连接到铸模段。为了使铸模段在底板上居中，每个滑动构件23分别与各自的定位销22连接。
[0051]借助该设计使得当热应力出现时，可以确保底座中的铸模段的定向，并且在另一方面，通过紧固螺栓12.1和12.2预加负荷能够分别补偿不容许的变形。
[0052]铸模段的前述设计是必要的以便使得铸模段浮动地支撑在底座I上。铸模段被设计为所谓的永久型铸模壳，其中，铸件表面朝向后侧沿着轮廓在厚度上增加。在薄的区域中的壁厚的范围从28mm至30mm,使得在这些区域中永久型铸模的单独段能够被选择地冷却或加热，从而产生期望的由铝混合晶体和包括相干相的AlSi共晶构成的枝晶间的、共晶混合晶体结构。在其中提供了特别短的加热或冷却时间的特定区域中，该分段式永久型铸模的壁厚减少了 10至20mm。
[0053]根据本发明进一步提供的是，能够在点状到表面状配置的区域中加热或者冷却该段。为了这个目的，利用垂直冷却孔8的点状冷却的实例和利用冷却风道9的表面状配置冷却的实例在图3中示出。对于需要使用高冷却能均匀冷却的更大表面，可以使用如图4所示的冷却板10形式的冷却装置。
[0054]铸模段的局部温度分布能够借助温度传感器11来确定，所述传感器优选地连接到处理器(未示出)，所述处理器经由集成的过程监视器而监视是否符合预置的冷却和加热相，并且当出现偏离设定值时执行校正。
[0055]图6示出了在垂直冷却孔8的区域中的通过根据本发明的装置的另一个部分横截面。此处，冷却管8.1插入待冷却的铸模段2的区域中，并且冷却介质经由连接件8.2供应。冷却效果能够被控制，例如经由冷却介质的量和冷却时间。因此，可以借助阀门影响冷却介质的供应流量，并且借助节流阀影响排出流量。该措施的目的在于通过控制固化的过程来具体地影响各个底盘零件所需要的机械特性值。
[0056]为了实现适度的冷却，空气冷却被应用。根据图7和图8，能够利用压缩空气导管的不同的变型。因此，图7示出了包括多个出气口 6.2的压缩空气导管6.1，所述出气口 6.2被定向朝向铸模段2的铸模壁。根据图8，平行布置的多个压缩空气端导管可以连接到中央导管6.4。这将扩大有效的冷却表面，根据图8，该冷却表面由在厚度上增加的铸模段3的端部组成。
[0057]通过上述措施，在倒入熔体之后可以生产枝晶间的、共晶混合晶体结构，所述结构由招混合晶体和具有通过MgZn2和/或Mg3Zn3Al2的析出形成的相干相的AlSi共晶构成。
[0058]为了实现适度的冷却效果，`空气冷却被应用，根据图9，作为槽冷却。弯曲的冷却导管可以布置在铸件槽的周围从而能够具体地影响浇铸道中的剩余熔体的冷却，同时达到控制循环时间的目的。
[0059]实验已经示出了如果永久型铸模与底盘零件的质量比优选为0.9:1.2，并且共晶熔体以每秒0.01至10°C的冷却速率被间歇地冷却和加热，机械性能是最佳的。在这个过程中，由热传感器供应的数据作为控制变量用在过程控制中以实现最佳的固化。根据帕特森和恩氏，有五种不同类型的固化，能够根据合金的组成和冷却条件获得从柱状粗粒面(COlumnar-rOUgh-wal Ied)到枝状交联的不同微组织。
[0060]可以查明的是，根据本发明，在具有金属间相的熔体的膏状固化的情况下获得机械强度的最佳值，金属间相枝晶间地分布在AlSi共晶中，由此根据预置的冷却条件，能够形成AlSiZnMg混合晶体结构，其在机动车底盘零件的每个横截面上都是均匀和同一的。
[0061]为了实现高的铸件质量，进一步需要的是，永久铸模的有效地通气并且避免铸件中的夹杂物。如图10所看到的，根据本发明，铸模通气口，特别是用于芯气体的吸入的铸模通气口，布置在芯壁上。所述通气口包括连接到通气导管17的通气插入件13，通气导管17依次布置在芯套件18中。通过使用真空或者通过使用文丘里(Venturi)喷嘴能够进一步增加和促进吸入效果。
[0062]根据图11至图14，本发明的特定变型提供了经由气带13的使用、经由利用缝式喷嘴14，15的肋通气、或者经由利用缝式喷嘴16的轮廓通风的铸模通气口。[0063]通过与使用A1B2、Al3Ti和AlTiC形式的硼和/或钛与熔体的晶粒细化相组合，可以调节密度指数在10%以下。
[0064]根据本发明的一种变型，提供了一种待填充进入壳形状永久型铸模中的熔体,使得该熔体自底部上升(低压永久型铸模)或者自顶部下落(重力永久型铸模)；在填充阶段，永久型铸模的壁具有350°C至410°C的温度，并且该熔体在受到拉伸-压缩应力的横截面处以5至10°C /s的冷却速率选择性地和间歇性地淬火，直到完全的固化出现，而底盘零件的韧性区域以0.1至4°C /s的冷却速率冷却。在规模生产中，根据图15、图16和图17，只要部件助流器件30和交叉开槽31设置在永久型铸模的壁中就可以实现。这些促进了铸模的填充以便在恒定的处理条件下在每种情况下都可以发生铸模的固化。通常地，助流器件和开槽形成为带有直径Rl和R0.5的球状鼻切角(cutters)。在固化之后，立即将铸件从铸模中移除并且自然地老化。铸件的脱模由脱模器5执行，所述脱模器在图18显示具有防磨套。根据本发明，脱模器5同时应用作为通气口，经由通气道19，并且用于铸模的部分冷却。为此，脱模器5优选地布置在永久型铸模壳2的区域中,永久铸型模壳2的厚度已经被功能性地放大，以便实现铸模的有效冷却(参见图19)。
[0065]总之，能够描述的是，通过AlSiZnMg合金的选择性固化,可以制造出具有高的机械强度(大于160MPa的屈服强度)和优良的温度稳定性(130°C，500h)且同时具有良好的应变特性(A大于5%)的机动车底盘零件。因为，即使在不利的条件下，也没有选择性耐腐蚀出现，同时观察到保持在可允许的容许限度之中的均匀的表面侵蚀，因此借助具有特定构型的混合晶体结构，可以对腐蚀行为产生积极的影响。
[0066]通过利用惰性气体或者形成气体(氮氢混合物/氩氢混合物)对熔体进行处理而调整密度指数小于10%。该零件几乎没有气泡，在底盘零件的所有角落和横截面区域处的强度值是相同的。因为孔隙率低，表面抛光是优良的。
[0067]根据本发明，借助上 述的助流器件或开槽，其中槽具有约0.5mm的深度和约Imm的宽度，成功地消除了裂缝形成。当同时实行有效的通气时能够增加表面密度。
【权利要求】
1.一种制造机动车底盘零件的方法，所述机动车底盘零件能承受拉伸应力、压缩应力和扭力并且具有能够在各个横截面上调整的机械强度以及高的韧性和温度稳定性，所述机动车底盘零件借助永久型铸模铸造由AlSiZnMg合金制成，其特征在于，铝合金包含(以重量百分率计): Si5-11% Zn 4-9% Mg 0.2-1.0% Sr 60_500ppm并且任选下面兀素中的至少一种:
Mo 0.01-0.15% B 0.001-0.010% 以及最闻 Zr 0.15% Ti 0.15% Fe 0.30% Cu 0.10% 以及另外的杂质 单独计最高至0.07%` 总计最高至0.15%， 将该铝合金在分段式永久型铸模中铸造，所述分段式铸模以壳形状的方式适应于所述底盘零件的轮廓，该永久型铸模的单独段在从点状到表面状配置的区域中冷却或加热，因此生产出由铝混合晶体与具有由MgZn2和/或Mg3Zn3Al2析出形成的相干相的AlSi共晶组成的枝晶间、共晶混合晶体结构，并且在固化之后，立即将所述铸件从所述铸模中移除并且自然老化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，永久型铸模/底盘的质量比是0.9:1.2，并且共晶熔体以0.01至10°C /s的冷却速率，在永久型铸模壳体中间歇性地冷却或加热，从而获得具有枝晶间地分布在AlSi共晶中的金属间相的膏状固化，由此形成AlSiZnMg混合晶体结构，所述AlSiZnMg混合晶体结构在机动车底盘零件的每个横截面中都是均匀和同一的。
3.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，为了实现熔体的晶粒细化，以AlB2, Al3Ti和AlTiC的形式添加B和/或Ti，并且通过对所述熔体的处理(除气)调节密度指数小于10%。
4.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述熔体被填充到所述壳形状永久型铸模中，使得所述熔体自底部上升(低压永久铸模)或者自顶部下落(重力永久铸模)，在填充阶段，所述永久型铸模的壁具有350至410°C的温度，并且所述熔体在受到拉伸应力/压缩应力的横截面处以5至10°C /s的冷却速率选择性地和间歇性地淬火，直到完全的固化出现，同时所述底盘零件的韧性区域以0.1至4°C /s的冷却速率冷却。
5.一种通过重力或低压铸造制造能够耐高应力的AlSiZnMG合金底盘零件的装置，所述装置包括钢底座(1)、一个或多个铸模段(2，3)以及用于铸模段的与水冷或空气冷却以及加热相关的温控器，其特征在于，由永久型铸模壳体制成的所述铸模段(2，3)具有浮动地支撑在所述底座(1)上的薄壁和厚壁区域所述厚壁区域形成为用于所述底座上的铸模段的支撑件， 紧固螺栓布置在薄壁区域中以实现将所述铸模段准确地紧固到所述底座上； 而且，为了冷却所述铸模段，水管连接件或通气连接件设置在具有点状到表面状配置的带区上，借助热传感器的(11)可以检测局部温度分布，并且借助所述紧固螺栓补偿所述铸模段中的各个热应力。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述支撑件布置在所述铸模段(2，3)的边缘区域中，并且所述支撑件均设置有定心装置和滑动面，所述滑动面对应于钢架(1)上的相应形状的相对表面。
7.根据前述权利要求任一项所述的装置，其特征在于，在所述永久型铸模壳体中，所述永久型铸模壳体的厚度已经有目的地特别地功能性放大，所述脱模器(5)被布置以为了同时通气和冷却铸模腔。
8.根据前述权利要求任一项所述的装置，其特征在于，所述永久型铸模经由缝式喷嘴和通气插入件(13至16)通气。
9.根据前述权利要求任一项所述的装置，其特征在于，在型芯座、或者芯插入件或插入零件的区域中，芯气体的吸入经由真空连接件执行。
10.根据前述权利要求任一项所述的装置，其特征在于，在浇铸道区域中，槽冷却器(7)被布置，为了通气和部分地冷却所述铸模，脱模器(5)设置有对应的连接件，而且在受到高应力的所述铸模的区域中，基于钨-镍的插入件(4)被布置。
11.根据前述权利要求任一项所述的`装置，其特征在于，为了控制具有点状配置的带区的温度，垂直冷却孔布置在所述铸模段中，所述垂直冷却孔具有10-40mm,优选15_25mm的直径。
12.根据前述权利要求任一项所述的装置，其特征在于，为了冷却具有表面状配置的区域中的所述铸模段，具有1000至50，OOOmm2的表面积的冷却板或冷却肋被布置。
【文档编号】B22C9/06GK103502492SQ201180009388
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2011年1月25日 优先权日:2010年2月11日
【发明者】胡贝特·科赫, 安德烈亚斯·克莱内, 埃哈德·施塔克, 马尼坎达恩·洛加纳坦, 克劳斯·格雷文, 罗兰·戈尔茨 申请人:特里梅特铝业股份公司, 梅科埃克尔有限两合公司, Ksm铸造集团有限公司