在高压模具铸件中确定表层厚度的方法
【技术领域】
[0001]本发明大体涉及在高压模具铸造(HPDC)铝合金中性质的量化，以及更确切地指来精确测量此类铸造部件中的表层厚度的改进的金相学定量方法。
【背景技术】
[0002]HPDC (也称作模具铸造)通常广泛使用在轻质铝合金部件的生产中，以及确切地用于汽车部件，例如发动机缸体和变速箱，以及活塞或者悬挂零件。对于大规模生产的低成本、精密的尺寸公差(近净成形)以及光滑的表面抛光是使得HPDC如此具有吸引力的完全积极的属性。不同于通常不在HPDC中使用的合金(例如319或356)，例如380、383、390或者类似的某些铝合金由于其成本、强度、流动性以及大体良好的抗腐蚀性品质而尤其适合于HPDC0
[0003]常规HPDC工艺的一个缺点在于起源于HPDC工艺独有的动力学的铸件中多孔性的存在，这些零件经受不起热处理。如此，HPDC产生的铝零件通常被认为是具有围绕内部区域的外部表层区域。在此类结构中，通常与表层相关的区域呈现相对无缺陷的、密集的微观结构，且比与内部区域相关的区域具有更好的机械性质，在与内部区域相关的区域中存在空隙、多孔以及相关缺陷。这些缺陷通常可归因于多个因素，其中一个因素是在固化期间合金从低密度液体金属至高密度固体铸件的收缩。另一个起作用的因素在于气体的形成，例如来自于模具壁润滑剂的分解的氢气或蒸汽，而还有的另一个因素在于任何的截留空气，其是由于模具填充以熔融金属的快速性而发生。
[0004]因此，HPDC表现出独特的设计难题。除了上述的机械性质的特定位置的属性，常规设计方法假设在整个铸造部件上存在均匀的微观结构和性质，这之中许多是由于很难精确确定表层厚度。此类简化假设会反过来引起通过有限元分析(FEA)或者相关定量分析工具的部件结构性质的不实际的预计。不准确预计会在部件故障分析中尤其存在问题，因为这会引起部件的昂贵的质保工作或效率低的保守设计；在任一种情形中，此类不准确性影响部件设计者来完全利用HPDC材料和工艺的能力。
【发明内容】
[0005]本发明人已经确定对于表层厚度的准确定量理解对于发展将引起HPDC生产的铝合金部件中微观结构和相关可靠性改良的制造工艺是至关重要的。为此目的，其已经研发出来量化HPDC铝零件中局部表层厚度的新的金相学方法。特别地，本发明人发现表层区域中的共晶相体积分数大于在内部(核心)区域中的共晶相体积分数，这是由于相对于内部区域的剩余的固化液体在固化的表层区域中具有更快的冷却(以及减小的溶质扩散)速率。这能够在图像分析中使用特别研发的例程自动测量和与表层厚度相关联。特别地，本发明人已经意识到表层厚度与从铸件自由表面至其中的共晶相体积分数从较高值变化至较低值的位置处(基于上述的冷却和扩散动力学)的距离是相关联的。此文中所确定的方法将提供鲁棒的和快速的措施来更准确地确定HPDC铸造部件中由于表层厚度而引起的性质变化。这反过来有助于设计者以高度的准确性预计部件性能和耐久性，其产生改进的、更有效的且伴随有质保成本减小的产品设计。
[0006]根据本发明的第一方面，公开了在HPDC金属铸件中确定表层厚度的方法。特别地，本方法允许通过共晶体积分数的测量而准确确定表层厚度。该方法包括接收金属铸造样本或者样品中感兴趣位置的图像(或者多个图像)。在一种形式中，该图像包括各个场的大的拼接，各个场以某种方式组成样品以将所接收图形划分成能够更容易地量化扫描图像的共晶和非共晶部分的更小的几何栅格形状。当已经接收待分析样本的图像时，确定共晶体积分数。然后通过在HPDC金属铸件中所使用的预定(S卩，已知)量的已知合金(例如380或者类似物)，此体积分数与表层厚度相关联。
[0007]在一个特定形式中，预计量由已知合金的相图(例如二元相图)上的特定位置组成。同样地，图像接收能够通过图像分析系统实施，同时共晶体积分数的确定优选地通过量化对比所接收图像在部件中感兴趣的位置内的每个深度层处的明和暗部分来实施。算法(其能够以一种由处理器或相关计算装置实施的形式)使用固相线、溶线和共晶等温线以及已知的主要合金组分(例如在380和其它HPDC兼容合金的情况下的铝和硅)的初始液体合金浓度之间的各个汇合点实施理想化的合金与所接收图像的比较。以此方式，能够知道的是基于预计的和测量的值之间的差值准确确定外部区域(其对应于表层厚度)终止的地方和内部区域(其对应于包含在表层厚度内的层)开始的地方。
[0008]在另一特定形式中，该方法包括配置计算化系统来接收与部件的样本中感兴趣位置的不同深度相对应的大量图像。由此，在每个所接收图像内的共晶分数能够通过量化对比图像上的部分确定，在此之后确定的体积分数与已知合金的预计相图量相比较。以此方式，使用在预计量与确定的体积分数之间的差值来与表层厚度相关联。
[0009]根据本发明的另一方面，在HPDC部件中确定表层厚度的方法包括配置图像分析系统来接收与部件样本中感兴趣位置的不同深度相对应的图像。由此，在每个所接收图像内的共晶体积分数能够通过量化对比部分以及将确定的体积分数与在部件中所使用的已知合金的预计相图量相比较来确定。如上地，在预计量与确定的体积分数之间的差值与表层厚度相关联。
[0010]根据本发明的再一方面，公开了包括计算机可用介质以用于确定高压模具铸造部件中的表层厚度的制品，其中计算机可用介质具有嵌入其中的计算机可读程序代码。
[0011]根据本发明，进一步包括下列技术方案:
1.一种确定高压模具铸造部件中的表层厚度的方法，所述方法包括:
接收与所述部件的样本中的感兴趣位置的不同深度相对应的多个图像；
确定所述多个所接收图像的每个内的共晶体积分数；
将所述确定的体积分数与预计量相比较；以及使所述比较中的差与所述表层厚度相关联。
[0012]2.根据方案I所述的方法，其中所述预计量包括在所述部件中使用的已知合金的相图上的特定位置。
[0013]3.根据方案2所述的方法，其中所述接收由图像分析系统来执行，所述图像分析系统具有其中编程的至少一个算法。
[0014]4.根据方案3所述的方法，其中所述确定共晶体积分数包括使用量化对比各个所述接收图像的明和暗的部分。
[0015]5.根据方案4所述的方法，其中所述至少一个算法执行所述比较。
[0016]6.根据方案5所述的方法，其中所述确定共晶体积分数由所述算法通过下列计算执行:
体积%共晶内部区域-BC/BD 体积%共晶外部区域-AC/AE
其中A代表在所述相图上与对于所述部件中使用的合金的外部区域的溶线、固相线和共晶等温线的交点相对应的位置，B代表在所述相图上与对于所述部件中使用的合金的内层区域的溶线、固相线和共晶等温线的交点相对应的位置，C代表在所述部件中使用的合金的铝或硅的初始液体合金浓度，D代表在所述相图上与对于所述部件中使用的合金的内层区域的共晶点相对应的位置，以及E对应于所述部件中使用的合金的外层区域的共晶点。
[0017]7.根据方案6所述的方法，其中所述外部区域与所述表层厚度相对应，且所述内部区域与包含在所述表层厚度内的层相对应。
[0018]8.一种确定高压模具铸造部件中的表层厚度的方法，所述方法包括: