在高壓模具鑄件中確定表層厚度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體涉及在高壓模具鑄造(HPDC)鋁合金中性質(zhì)的量化，以及更確切地指來(lái)精確測(cè)量此類(lèi)鑄造部件中的表層厚度的改進(jìn)的金相學(xué)定量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]HPDC (也稱(chēng)作模具鑄造)通常廣泛使用在輕質(zhì)鋁合金部件的生產(chǎn)中，以及確切地用于汽車(chē)部件，例如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和變速箱，以及活塞或者懸掛零件。對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)的低成本、精密的尺寸公差(近凈成形)以及光滑的表面拋光是使得HPDC如此具有吸引力的完全積極的屬性。不同于通常不在HPDC中使用的合金(例如319或356)，例如380、383、390或者類(lèi)似的某些鋁合金由于其成本、強(qiáng)度、流動(dòng)性以及大體良好的抗腐蝕性品質(zhì)而尤其適合于HPDC0
[0003]常規(guī)HPDC工藝的一個(gè)缺點(diǎn)在于起源于HPDC工藝獨(dú)有的動(dòng)力學(xué)的鑄件中多孔性的存在，這些零件經(jīng)受不起熱處理。如此，HPDC產(chǎn)生的鋁零件通常被認(rèn)為是具有圍繞內(nèi)部區(qū)域的外部表層區(qū)域。在此類(lèi)結(jié)構(gòu)中，通常與表層相關(guān)的區(qū)域呈現(xiàn)相對(duì)無(wú)缺陷的、密集的微觀結(jié)構(gòu)，且比與內(nèi)部區(qū)域相關(guān)的區(qū)域具有更好的機(jī)械性質(zhì)，在與內(nèi)部區(qū)域相關(guān)的區(qū)域中存在空隙、多孔以及相關(guān)缺陷。這些缺陷通?？蓺w因于多個(gè)因素，其中一個(gè)因素是在固化期間合金從低密度液體金屬至高密度固體鑄件的收縮。另一個(gè)起作用的因素在于氣體的形成，例如來(lái)自于模具壁潤(rùn)滑劑的分解的氫氣或蒸汽，而還有的另一個(gè)因素在于任何的截留空氣，其是由于模具填充以熔融金屬的快速性而發(fā)生。
[0004]因此，HPDC表現(xiàn)出獨(dú)特的設(shè)計(jì)難題。除了上述的機(jī)械性質(zhì)的特定位置的屬性，常規(guī)設(shè)計(jì)方法假設(shè)在整個(gè)鑄造部件上存在均勻的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，這之中許多是由于很難精確確定表層厚度。此類(lèi)簡(jiǎn)化假設(shè)會(huì)反過(guò)來(lái)引起通過(guò)有限元分析(FEA)或者相關(guān)定量分析工具的部件結(jié)構(gòu)性質(zhì)的不實(shí)際的預(yù)計(jì)。不準(zhǔn)確預(yù)計(jì)會(huì)在部件故障分析中尤其存在問(wèn)題，因?yàn)檫@會(huì)引起部件的昂貴的質(zhì)保工作或效率低的保守設(shè)計(jì)；在任一種情形中，此類(lèi)不準(zhǔn)確性影響部件設(shè)計(jì)者來(lái)完全利用HPDC材料和工藝的能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明人已經(jīng)確定對(duì)于表層厚度的準(zhǔn)確定量理解對(duì)于發(fā)展將引起HPDC生產(chǎn)的鋁合金部件中微觀結(jié)構(gòu)和相關(guān)可靠性改良的制造工藝是至關(guān)重要的。為此目的，其已經(jīng)研發(fā)出來(lái)量化HPDC鋁零件中局部表層厚度的新的金相學(xué)方法。特別地，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)表層區(qū)域中的共晶相體積分?jǐn)?shù)大于在內(nèi)部(核心)區(qū)域中的共晶相體積分?jǐn)?shù)，這是由于相對(duì)于內(nèi)部區(qū)域的剩余的固化液體在固化的表層區(qū)域中具有更快的冷卻(以及減小的溶質(zhì)擴(kuò)散)速率。這能夠在圖像分析中使用特別研發(fā)的例程自動(dòng)測(cè)量和與表層厚度相關(guān)聯(lián)。特別地，本發(fā)明人已經(jīng)意識(shí)到表層厚度與從鑄件自由表面至其中的共晶相體積分?jǐn)?shù)從較高值變化至較低值的位置處(基于上述的冷卻和擴(kuò)散動(dòng)力學(xué))的距離是相關(guān)聯(lián)的。此文中所確定的方法將提供魯棒的和快速的措施來(lái)更準(zhǔn)確地確定HPDC鑄造部件中由于表層厚度而引起的性質(zhì)變化。這反過(guò)來(lái)有助于設(shè)計(jì)者以高度的準(zhǔn)確性預(yù)計(jì)部件性能和耐久性，其產(chǎn)生改進(jìn)的、更有效的且伴隨有質(zhì)保成本減小的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，公開(kāi)了在HPDC金屬鑄件中確定表層厚度的方法。特別地，本方法允許通過(guò)共晶體積分?jǐn)?shù)的測(cè)量而準(zhǔn)確確定表層厚度。該方法包括接收金屬鑄造樣本或者樣品中感興趣位置的圖像(或者多個(gè)圖像)。在一種形式中，該圖像包括各個(gè)場(chǎng)的大的拼接，各個(gè)場(chǎng)以某種方式組成樣品以將所接收?qǐng)D形劃分成能夠更容易地量化掃描圖像的共晶和非共晶部分的更小的幾何柵格形狀。當(dāng)已經(jīng)接收待分析樣本的圖像時(shí)，確定共晶體積分?jǐn)?shù)。然后通過(guò)在HPDC金屬鑄件中所使用的預(yù)定(S卩，已知)量的已知合金(例如380或者類(lèi)似物)，此體積分?jǐn)?shù)與表層厚度相關(guān)聯(lián)。
[0007]在一個(gè)特定形式中，預(yù)計(jì)量由已知合金的相圖(例如二元相圖)上的特定位置組成。同樣地，圖像接收能夠通過(guò)圖像分析系統(tǒng)實(shí)施，同時(shí)共晶體積分?jǐn)?shù)的確定優(yōu)選地通過(guò)量化對(duì)比所接收?qǐng)D像在部件中感興趣的位置內(nèi)的每個(gè)深度層處的明和暗部分來(lái)實(shí)施。算法(其能夠以一種由處理器或相關(guān)計(jì)算裝置實(shí)施的形式)使用固相線(xiàn)、溶線(xiàn)和共晶等溫線(xiàn)以及已知的主要合金組分(例如在380和其它HPDC兼容合金的情況下的鋁和硅)的初始液體合金濃度之間的各個(gè)匯合點(diǎn)實(shí)施理想化的合金與所接收?qǐng)D像的比較。以此方式，能夠知道的是基于預(yù)計(jì)的和測(cè)量的值之間的差值準(zhǔn)確確定外部區(qū)域(其對(duì)應(yīng)于表層厚度)終止的地方和內(nèi)部區(qū)域(其對(duì)應(yīng)于包含在表層厚度內(nèi)的層)開(kāi)始的地方。
[0008]在另一特定形式中，該方法包括配置計(jì)算化系統(tǒng)來(lái)接收與部件的樣本中感興趣位置的不同深度相對(duì)應(yīng)的大量圖像。由此，在每個(gè)所接收?qǐng)D像內(nèi)的共晶分?jǐn)?shù)能夠通過(guò)量化對(duì)比圖像上的部分確定，在此之后確定的體積分?jǐn)?shù)與已知合金的預(yù)計(jì)相圖量相比較。以此方式，使用在預(yù)計(jì)量與確定的體積分?jǐn)?shù)之間的差值來(lái)與表層厚度相關(guān)聯(lián)。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在HPDC部件中確定表層厚度的方法包括配置圖像分析系統(tǒng)來(lái)接收與部件樣本中感興趣位置的不同深度相對(duì)應(yīng)的圖像。由此，在每個(gè)所接收?qǐng)D像內(nèi)的共晶體積分?jǐn)?shù)能夠通過(guò)量化對(duì)比部分以及將確定的體積分?jǐn)?shù)與在部件中所使用的已知合金的預(yù)計(jì)相圖量相比較來(lái)確定。如上地，在預(yù)計(jì)量與確定的體積分?jǐn)?shù)之間的差值與表層厚度相關(guān)聯(lián)。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的再一方面，公開(kāi)了包括計(jì)算機(jī)可用介質(zhì)以用于確定高壓模具鑄造部件中的表層厚度的制品，其中計(jì)算機(jī)可用介質(zhì)具有嵌入其中的計(jì)算機(jī)可讀程序代碼。
[0011]根據(jù)本發(fā)明，進(jìn)一步包括下列技術(shù)方案:
1.一種確定高壓模具鑄造部件中的表層厚度的方法，所述方法包括:
接收與所述部件的樣本中的感興趣位置的不同深度相對(duì)應(yīng)的多個(gè)圖像；
確定所述多個(gè)所接收?qǐng)D像的每個(gè)內(nèi)的共晶體積分?jǐn)?shù)；
將所述確定的體積分?jǐn)?shù)與預(yù)計(jì)量相比較；以及使所述比較中的差與所述表層厚度相關(guān)聯(lián)。
[0012]2.根據(jù)方案I所述的方法，其中所述預(yù)計(jì)量包括在所述部件中使用的已知合金的相圖上的特定位置。
[0013]3.根據(jù)方案2所述的方法，其中所述接收由圖像分析系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行，所述圖像分析系統(tǒng)具有其中編程的至少一個(gè)算法。
[0014]4.根據(jù)方案3所述的方法，其中所述確定共晶體積分?jǐn)?shù)包括使用量化對(duì)比各個(gè)所述接收?qǐng)D像的明和暗的部分。
[0015]5.根據(jù)方案4所述的方法，其中所述至少一個(gè)算法執(zhí)行所述比較。
[0016]6.根據(jù)方案5所述的方法，其中所述確定共晶體積分?jǐn)?shù)由所述算法通過(guò)下列計(jì)算執(zhí)行:
體積%共晶內(nèi)部區(qū)域-BC/BD 體積%共晶外部區(qū)域-AC/AE
其中A代表在所述相圖上與對(duì)于所述部件中使用的合金的外部區(qū)域的溶線(xiàn)、固相線(xiàn)和共晶等溫線(xiàn)的交點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的位置，B代表在所述相圖上與對(duì)于所述部件中使用的合金的內(nèi)層區(qū)域的溶線(xiàn)、固相線(xiàn)和共晶等溫線(xiàn)的交點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的位置，C代表在所述部件中使用的合金的鋁或硅的初始液體合金濃度，D代表在所述相圖上與對(duì)于所述部件中使用的合金的內(nèi)層區(qū)域的共晶點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的位置，以及E對(duì)應(yīng)于所述部件中使用的合金的外層區(qū)域的共晶點(diǎn)。
[0017]7.根據(jù)方案6所述的方法，其中所述外部區(qū)域與所述表層厚度相對(duì)應(yīng)，且所述內(nèi)部區(qū)域與包含在所述表層厚度內(nèi)的層相對(duì)應(yīng)。
[0018]8.一種確定高壓模具鑄造部件中的表層厚度的方法，所述方法包括: