(57)【要約】少なくとも１つの表面部分がグレージング又はエナメルコーティング（９）で被覆された金属合金部品（１）の熱処理方法において，部品（１）を最低焼入れ温度以上の温度まで加熱し，最低焼入れ温度以上の温度から急冷することにより部品（１）内部に高強度の微細組織を生成する。本発明の方法によれば，部品（１）の最大強度を達成すると共に高い信頼性でグレージング又はエナメルコーティング（９）のチッピングを防止するように部品（１）を熱処理することができる。そのため，本発明では，焼入れプロセスに先立ってグレージング又はエナメルコーティング（９）を，少なくともその自由表面（9’）において，最大でもグレージング又はエナメルコーティング（９）の軟化開始温度に対応する予冷温度まで予冷する。グレージング又はエナメルコーティング（９）の冷却速度は，焼入れプロセスにおける目標冷却速度よりも低速とする。【選択図】図１
2019507830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの表面部分（７）がグレージング又はエナメルコーティング（９）で被覆された金属合金部品（１）の熱処理方法であって，前記部品（１）を最低焼入れ温度以上の温度まで加熱し，前記部品（１）を最低焼入れ温度以上の温度から急冷することにより，該部品（１）内部に高強度の微細組織を生成する方法において：
・焼入れプロセスに先立って前記グレージング又はエナメルコーティング（９）を，少なくともその自由表面（9’）において，最高でも前記グレージング又はエナメルコーティング（９）の軟化開始温度に対応する予冷温度まで予冷すること；並びに，
・前記グレージング又はエナメルコーティング（９）を冷却する際の冷却速度を，前記焼入れプロセスにおける目標冷却速度よりも低速とすること；
を特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって，前記グレージング又はエナメルコーティング（９）を，その周りに流体を流すことにより前記予冷温度まで予冷することを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって，前記流体が圧縮空気流であることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の方法であって，前記流体を，ノズル装置（１１）により前記グレージング又はエナメルコーティング（９）に向けることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載の方法であって，前記予冷の時間は，前記グレージング又はエナメルコーティング（９）で被覆された表面部分（７）における前記部品（１）の金属材料温度が，前記最低焼入れ温度以上となるように設定することを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載の方法であって，前記グレージング又はエナメルコーティング（９）を予冷する際の冷却速度は，5 K/s以下とすることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項に記載の方法であって，前記グレージング又はエナメルコーティング（９）を予冷する際の冷却速度は，少なくとも0.5 K/sとすることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一項に記載の方法であって，前記グレージング又はエナメルコーティング（９）の予冷に引き続いて前記部品（１）を急冷する際の冷却速度は，少なくとも5 K/sとすることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか一項に記載の方法であって，前記グレージング又はエナメルコーティング（９）の予冷に引き続いて前記部品（１）を急冷する際の冷却速度は，最大でも50 K/sとすることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れか一項に記載の方法であって，前記予冷温度は，前記最低焼入れ温度よりも少なくとも30°Cだけ低い温度とすることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法であって，前記予冷温度は，前記最低焼入れ温度よりも少なくとも50°Cだけ低い温度とすることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れか一項に記載の方法であって，前記予冷温度は，最大でも480°Cとすることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１〜１２の何れか一項に記載の方法であって，前記部品（１）の材料は，軽金属材料，特にアルミニウム系材料で構成することを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１〜１３の何れか一項に記載の方法であって，前記部品（１）は，少なくとも１つのダクト（６）が設けられ，その少なくとも１つの表面部分（７）が前記グレージング又はエナメルコーティング（９）で被覆された燃焼機関用の部品（１）で構成することを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１〜１４の何れか一項に記載の方法であって，前記部品（１）を，鋳造により製造することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，金属合金からなる部品，特に，少なくとも一つの表面部分がグレージング又はエナメルコーティングで被覆された軽金属部品の熱処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１：工学博士ヴォルフガング・キューン著，「軽金属のエナメルコーティングの可能性及び限界」(Moglichkeiten und Grenzen der Emaillierung von Leichtmetallen), Oberflachen Polysurfaces, 第2/09号, 第6-9頁に記載されているように，エナメルコーティングは，そのために意図される基体に対して，特に溶融温度及び熱膨張係数に関して適合させたガラス層である。これらは，ガラスの表面特性を金属の材料特性及び処理特性と組み合わせるものである。他の被覆とは異なり，エナメルコーティングの場合には焼成の間にガラス・金属積層体が形成され，ガラス材料と金属基板との間に合金相としても既知の中間層が形成される。これにより，被覆と金属との間の特に強力な結合を確実とするものである。そのために，最近ではエナメルを多成分混合物で構成し，その共晶を低温の焼成温度で使用することにより，非常に良好な機械的硬度及び耐薬品性を実現している。
【０００３】
特許文献１：ドイツ特許出願公開第10 2010 025 286明細書からは，燃焼機関用の軽金属鋳造品，例えばシリンダヘッドにおける排気ダクトの内面を過度の熱応力から効果的に保護するために，内面の少なくとも一部をガラス材料からなるコーティングで被覆することも既知である。この提案の実用化は，極めて挑戦的な課題である。コーティングが，一方では，作動時に生じる機械的及び熱的応力に抵抗する必要があり，他方では，被覆された表面部分に近接する部品を加工する際に，コーティングにチッピングが生じるリスクを回避する必要があるからである。
【０００４】
軽金属よりなる部品の表面に，特許文献２：国際公開WO 2015/018795号明細書に記載されているグレージング又はエナメルコーティングを施せば，コーティングを施した部品表面が作動中に曝される温度が軽金属及びコーティング自体の融点よりも高い場合には，コーティングが熱的及び機械的応力に対して安全性を担保し，軽金属基体を確実に保護し得るものである。従って，このようなエナメル粉末は，使用時に高温排気流に曝される表面のコーティングに対して特に好適である。そのような表面は，燃焼機関，シリンダヘッド，ターボチャージャ等における部品の排気ダクトエリアに存在している。この種の部品は，一般的には鋳造により製造されている。
【０００５】
特許文献２の開示は，本願に参照として取り込まれる。
【０００６】
特許文献２に詳述されているとおり，グレージング又はエナメルコーティングで被覆すべき表面部分に適当な組成を有するスリップ等を適用する。そして，部品を全体的に，又は少なくとも対応する表面部分において，焼成温度まで加熱する。この焼成温度下で，コーティングのガラスマトリックスを溶解させ，コーティングと部品の基材との間に化学的結合を生じさせる。
【０００７】
軽金属，特にアルミニウム合金から製造される鋳造部品の機械的特性は，適切な熱処理によって精密に調整することができる。即ち，溶体化焼鈍に引き続いて焼入れを行い，その間に部品を低い目標温度，例えば室温まで高速で冷却すれば，部品強度を大幅に向上することができる。焼成と，急冷を開始させる焼入れ温度までの加熱とを一つのプロセスで行うのが特に経済的であることが実証された。
【０００８】
しかしながら，実用試験において，グレージング又はエナメルコーティングについての通常の焼成温度を超える温度まで加熱した後に焼入れを非常に高い冷却速度で行わせると，例えば水冷の間に生じるようなグレージング又はエナメルコーティングのチッピングが生じる可能性のあることが判明した。とは言え，使用時に高い機械的応力に曝される部品，例えば燃焼機関のシリンダヘッドのためには，正にその高い冷却速度での焼入れが必要である。これと同時に，この種の部品は，高い熱応力に曝される領域がグレージング又はエナメルコーティングで被覆される部品の典型例である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】工学博士ヴォルフガング・キューン著，「軽金属のエナメルコーティングの可能性及び限界」(Moglichkeiten und Grenzen der Emaillierung von Leichtmetallen)，Oberflachen Polysurfaces, 第2/09号, 第6-9頁
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】ドイツ特許出願公開第10 2010 025 286明細書
【特許文献２】国際公開WO 2015/018795号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このような背景に対して，金属材料，特に軽金属材料よりなり，その少なくとも１つの表面部分がグレージング又はエナメルコーティングで被覆される部品を，一方では部品の最高強度が達成され，他方ではグレージング又はエナメルコーティングのチッピングが安全に回避されるように熱処理可能とする方法を提案することが喫緊の課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は，この課題を請求項１に記載した方法によって解決するものである。
【００１３】
本発明の有利な実施形態は，従属請求項に記載されており，一般的発明概念と併せて詳細に後述するとおりである。
【００１４】
金属材料，特に軽金属材料よりなり，その少なくとも１つの表面部分がグレージング又はエナメルコーティングで被覆される部品を熱処理するための本発明に係る方法によれば，部品を，上述した先行技術におけると同様に，少なくとも最低焼入れ温度と等しい加熱温度まで加熱する。その部品を，次に，少なくとも最低焼入れ温度と等しい温度から急冷し，部品内部に高強度の微細組織を生成する。
【００１５】
焼入れに先立って部品を加熱する加熱温度は，焼入れプロセスの開始時点における部品温度が少なくとも最低焼入れ温度と等しい温度となるように，部品の搬送又はその他の中間加工段階で生じ得る温度降下も加味した上で算出される。
【００１６】
本発明の方法では，焼入れ前のグレージング又はエナメルコーティングにおける少なくとも１つの表面部分を，最高でもグレージング又はエナメルコーティングが軟化を開始する温度に対応する予冷温度まで予冷する。
【００１７】
本発明において，グレージング又はエナメルコーティングを予冷する際の冷却速度を，焼入れ時における冷却速度よりも低速とする。
【００１８】
即ち，本発明において行われる予冷により，グレージング又はエナメルコーティングは，焼入れ前に部品温度よりも低い温度，典型的には最低焼入れ温度よりも低い温度までゆっくりと予冷し，その温度下でグレージング又はエナメルコーティングは再硬化させる。本発明における目標予冷温度は，一般的には，ガラスマトリックスの軟化と上述した化学的プロセスが生じる温度よりも高い温度であり，その結果としてグレージング又はエナメルコーティングが部品の金属材料に対して恒久的かつ強固に結合される。予冷の間にコーティングは，少なくともその自由表面領域において，目標温度よりも低い温度まで冷却される。
【００１９】
本発明の方法は，軽金属材料，特にアルミニウム系材料よりなる部品の熱処理に特に好適である。
【００２０】
本発明の方法は，焼入れの間にグレージング又はエナメルコーティングを完全に維持しつつ，高応力を負荷し得る部品を製造可能とするものである。グレージング又はエナメルコーティングを有する部品エリアを，コーティングが無欠陥性を維持するためには相当に低い温度しか許容できない場合であっても，溶体化焼鈍温度の制約を伴うことなく，焼入れにより熱処理することができる。従って，鋳造材料の最大限達成可能な機械的特性を完全に活用することができる。
【００２１】
グレージング又はエナメルコーティングが最低焼入れ温度に対応する加熱温度，従ってグレージング又はエナメルコーティングを焼成するために設定された典型的な焼成温度を超える加熱温度まで加熱された結果として軟化すると，グレージング又はエナメルコーティングは，本発明に係る予冷により，少なくとも，部品の金属基体に強固に結合し，引き続く部品全体についての焼入れの間にチッピングを発生させることなく急激な温度変化に抵抗し得る程度まで再硬化する。
【００２２】
グレージング又はエナメルコーティングの予冷が加熱温度までの部品の加熱後に行われるので，予冷の間に部品もある程度まで同様に温度降下することがあり得る。従って，そのような場合には，部品の急冷を開始させるための最低焼入れ温度を，当初に到達した加熱温度よりも低い温度とし，あるいは，加熱温度を，部品温度が予冷の間に生じる温度降下後でも最低焼入れ温度を上回るよう，十分に高い温度に設定する。
【００２３】
予冷温度は，当該温度までグレージング又はエナメルコーティングを予冷する目標値であり，典型的には最低焼入れ温度よりも少なくとも30°C，特に少なくとも50°Cだけ低い温度とすることができる。
【００２４】
アルミニウム材料よりなる部品の場合，適当な焼成温度，即ちグレージング又はエナメルコーティングのガラスマトリックスが軟化を開始する温度は，典型的には480 - 650°C，特に510 - 540°Cの範囲内である。従って，アルミニウム材料よりなる部品からのグレージング又はエナメルコーティングのチッピングは，予冷温度の最高値を480°C，特に470°C又は450°Cとすれば，特に高い信頼性をもって防止することができる。対照的に，アルミニウム材料よりなる部品についての典型的な最低焼入れ温度は少なくとも480°C，特に少なくとも500°Cである。そして，実際には少なくとも520°C，特に少なくとも530°Cの焼入れ温度が特に有利であることが実証されている。
【００２５】
本発明によれば，予冷温度までのグレージング又はエナメルコーティングの予冷は，流体をグレージング又はエナメルコーティングに沿って流すことにより達成することができる。そのためには，温度制御された適当なガス流が特に適当である。そのためには加圧ガスが特に好適であることが実証された。これは，本発明の係る方法を実施する作動環境下において，加圧ガスが容易に入手可能であり，加圧ガスは所要の冷却のために容易に制御可能だからである。しかしながら，他のガス，例えば窒素ガス等の防護ガスも，入手可能であるか，又は，例えば金属基体とガス流との間の反応を回避するために必要である場合には使用し得ることは，言うまでもない。何れのガス流も，グレージング又はエナメルコーティングに向けて流すことにより，グレージング又はエナメルコーティングで被覆した表面部分に冷却を集中させることができる。
【００２６】
物理的に，層厚及び熱物理的データは，冷媒により生じる温度波の伝播速度を規定する。また，温度波の伝播は，グレージング又はエナメルコーティングの熱伝導又は熱拡散によって決定される。部品の金属基体は，予冷に由来する温度波が鋳造表面に達しない場合には影響を受けることがない。本発明に関連する類のグレージング又はエナメルコーティングの通常の層厚の場合，冷却時間は最大で60秒間，特に最大で40秒間で足りる。通常の層厚について必要とされる最低焼入れ温度を下回る冷却は，予冷時間を最大で20秒間，特に5-20秒間に制限することで確実に回避することができる。
【００２７】
グレージング又はエナメルコーティングの典型的な層厚は5 mmまでの範囲内，特に2 mm以下である。
【００２８】
何れの場合にもグレージング又はエナメルコーティングに必要とされる予冷時間は，熱処理すべき部品の試片についての実験的な測定に基づいて，当業者が通常の方法で決定することができる。そのために，一方では予冷の間に生じるグレージング又はエナメルコーティングの温度降下を，そして他方ではグレージング又はエナメルコーティングと，これを支持する部品の金属材料との間の界面領域における温度プロファイルを，計測手段により記録し，又は理論的に決定する。予冷時間は，理想的には，グレージング又はエナメルコーティングを施した表面領域における部品の軽金属材料温度が，少なくとも最低焼入れ温度と等しくなるように設定する。
【００２９】
本発明の目的のためには，金属基体に隣接するグレージング又はエナメルコーティングの領域では最低焼入れ温度に近い高温が依然として支配的となるように，グレージング又はエナメルコーティングの自由表面のみを予冷温度まで冷却すれば足りるものと仮定する。予冷をコーティングの自由表面，従って当該表面に近接するグレージング又はエナメルコーティングの層に限定するだけで，引き続く焼入れの間におけるグレージング又はエナメルコーティングのチッピングを防止することができる。同時に，コーティングは既にその表面が冷却されているため，部品及び基体層よりなるユニットは圧縮応力下にあり，これにより抵抗が増大する。
【００３０】
予冷の実用的な冷却速度は5 K/s未満の範囲内であり，冷却速度が少なくとも0.5 K/sである場合には予冷を迅速に行うことができ，グレージング又はエナメルコーティングの予冷の間に部品の残部における過度の冷却を防止することができる。
【００３１】
本発明に従って実施される熱処理は，通常は，焼入れを後続させる溶体化焼鈍として実行することができる。部品が軽金属材料，特にアルミニウム材料よりなる場合，典型的な焼鈍時間は0.5 - 5時間である。
【００３２】
次に，部品の焼入れを，少なくとも5 K/s，特に少なくとも7 K/s又は少なくとも10 K/sの冷却速度で行うことができる。実用上，50 K/sまでの冷却速度が信頼性の高い範囲であることが実証されており，肉厚変化が大きく，部品体積における局所的な材料集中部を有する部品について達成し得る冷却速度範囲は広範とすることができる。
【００３３】
本発明において，部品の実際の焼入れは，グレージング又はエナメルコーティングの予冷に引き続いて，通常の態様で行われる。この場合，水が特に適当な冷媒である。しかしながら，必要であれば他の冷媒，例えばスプレーミスト，ポリマー，オイル又はガス等を使用することもできる。
【００３４】
何れの場合にも，達成される冷却速度は，冷媒の温度に基づいて，同様に既知の態様で決定することができる。冷媒として水を使用する場合，例えば，水温は，部品内における過度に高い冷却速度を回避するために，沸点までの範囲内とすることができる。
【００３５】
上述したように，本発明の方法は，少なくとも１つのダクトが設けられ，その少なくとも１つの表面部分がグレージング又はエナメルコーティングで被覆された燃焼機関用の部品の熱処理に特に好適である。
【００３６】
予冷の間，グレージング又はエナメルコーティングで被覆された表面部分に隣接する部品の部分における過度の冷却を回避するため，当該部分を，スクリーンや断熱材等の適用によって冷媒からシールドすることができる。
【００３７】
焼入れの後，本発明に従って熱処理された部品は，それぞれの用途に応じて特性を更に最適化するために，通常の態様で更なる処理を施すことができる。
【００３８】
以下，本発明を例示的な実施形態について更に詳述する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に従って熱処理すべき部品の一例としての燃焼機関用のシリンダヘッド１を，シリンダヘッド１の長手方向軸線に対して横方向に整列させた断面内で示す略線図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
シリンダヘッド１は，そのために常用されるアルミニウム系鋳造材料，例えばAISi11合金又はAISi10Cu0.5Mg合金から鋳造され，平坦な接触面２を有する。接触面２は，使用時に，必要に応じて介在させるシリンダヘッドガスケットを介して，燃焼機関におけるエンジンブロック（図示せず）上に載置される。この場合，燃焼機関は，列状に配置された燃焼室と，昇降移動するピストン（図示せず）とを有する。
【００４１】
接触面２には，燃焼機関のシリンダ数に対応する個数の球状凹部３が形成されている。球状凹部３は，燃焼機関におけるピストンのストローク方向で燃焼機関の燃焼室の頂縁部を形成する。
【００４２】
各凹部３内には，シリンダヘッド１の長手方向側部4’から供給される吸気ダクト５が開口している。作動の間，吸気ダクト５を通して燃料‐空気混合気が燃焼室内に吸入される。更に，各凹部３からは反対側の長手方向側部4”まで排気ダクト６が引き出されている。燃焼プロセスの間に生成される排ガスは，燃焼機関における燃焼室から排気ダクト６を通して排出される。
【００４３】
作動の間，排気ダクト６を包囲する排気ダクト６の内面７，特にその入口ポート８周りの領域は，入口ポートの開放時に排気ダクト６内に高速で流入する高温の排ガスによる高い熱的及び機械的応力に曝される。
【００４４】
これらの応力から保護するために，内面７は，エナメルコーティング９で被覆されている。エナメルコーティング９は平均厚さが400 mmであり，排気ダクト６の全長に亘って内面７を被覆するものである。
【００４５】
シリンダヘッド１は，通常の態様で，燃焼室数に対応する個数の排気ダクト６及び関連するバルブを有し，これらはシリンダヘッド１の長手方向において列状に配置され，何れもエナメルコーティング９で被覆されている。
【００４６】
エナメルコーティングの製造及び組成については，前掲特許文献２に記載されており，その内容は本願に既に取り込み済みである。
【００４７】
エナメルコーティング９を焼成するため，シリンダヘッド１を先ず520°Cの焼成温度まで加熱してエナメルコーティングを部品のAl基体に強固に結合するように焼成する。
【００４８】
本発明に係る熱処理の場合，シリンダヘッド１には，1.5時間の焼成時間に亘り，535°Cの加熱温度下で溶体化焼鈍を施す。
【００４９】
焼鈍時間の経過後，シリンダヘッド１を10秒以内に焼鈍炉（図示せず）から取り出して，保持装置10上に移載する。
【００５０】
保持装置10は予冷装置の一部であり，予冷装置はノズル群11も備えている。ノズル群11はノズル12を有し，各ノズルは長手方向側部4”に配置された対応する排気ダクト６の出口ポート13に向けられている。この場合，出口ポート13を包囲する長手方向側部4”の表面は，耐熱材料を備えるスクリーン14により，環境から熱的に遮断される。
【００５１】
ノズル群11は圧縮空気の中央供給源15に接続され，この供給源を経て外気温状態の圧縮空気がノズル群11に到達する。エナメルコーティング９を予冷するため，シリンダヘッドにおける各排気ダクト６に関連するノズル12を経て圧縮空気流Ｄをエナメルコーティング９の自由表面9’に向けて直線的に流入させる。このようにして，エナメルコーティング９を30 - 40秒以内に470°Cよりも低い予冷温度まで予冷する。
【００５２】
次に，シリンダヘッド１を保持装置10から取り外し，水温95°Cの水浴中に５秒間に亘って浸漬する。このようにして，シリンダヘッド１が外気温度まで焼入れされる。
【００５３】
焼入れに引き続き，1-200時間に亘り，200°Cの温度下で人工時効処理を行うことができる。本明細書に記載する実施例では，時効時間を５時間に選択した。
【００５４】
熱処理により達成される硬化の指標は，シリンダヘッド１を製造する材料の降伏強度である。
【００５５】
AlSi10Cu0.5Mg合金から鋳造したシリンダヘッド１は，何れの場合にも535°Cの焼入れ温度から開始される急冷に使用する冷媒に応じて，次表に示す降伏強度を有するものであった。
【表１】
2019507830.tif 000003
【符号の説明】
【００５６】
１     シリンダヘッド（部品）
２     シリンダヘッド１の接触面
３     シリンダヘッド１の凹部
4’, 4”      シリンダヘッド１の長手方向側面
５     吸気ダクト
６     排気ダクト
７     排気ダクト６の内面
８     排気ダクト６の入口ポート
９     エナメルコーティング
9’    エナメルコーティング９の表面
10     保持装置
11     ノズル群
12     ノズル
13     出口ポート
14     スクリーン
15     圧縮空気供給源
Ｄ     圧縮空気流
【図１】
2019507830.tif 000004
【国際調査報告】
2019507830.tif 000005
2019507830.tif 000006
2019507830.tif 000007
2019507830.tif 000008
2019507830.tif 000009