DE2540542A1 - Gusserzeugnis und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Gusserzeugnis und verfahren zu dessen herstellung

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DE2540542A1 DE19752540542 DE2540542A DE2540542A1 DE 2540542 A1 DE2540542 A1 DE 2540542A1 DE 19752540542 DE19752540542 DE 19752540542 DE 2540542 A DE2540542 A DE 2540542A DE 2540542 A1 DE2540542 A1 DE 2540542A1
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Description

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER
CHPL-ING
H. KINKELDEY W. STOCKMAlR
DR-!NG · AtE (CALTtCH
K. SCHUMANN
. DR FKR ΝΑΓ - CPU-PHVS.
P. H. JAKOB
ESPL-ING
G. BEZOLD
DH KCRNfT- DIfL-O-CM
MÜNCHEN
8 MÜNCHEN 22
MAXiMlLlANSTRASSE A3
11. September 1975 P 9557
Anmelder: BRICO Engineering Ltd.
Holbrook Lane
Coventry CVβ 4BG
Warwickshire / England
Gußerzeugnis und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbund-Metallerzeugnis und insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, auf Ringträger für Kolben, deren Rohlinge sowie auf mit derartigen Ringträgern versehene Kolben.
Es ist seit langem bekannt, einen Kolben mit einem Ringträger zu versehen, der aus einem verschleißbeständigeren Material besteht als der übrige Teil des Kolbens, wobei in den Ringträger eine Nut ausgebildet ist, in welcher der Kolbenring aufgenommen werden kann. So werden beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung bestehende Kolben für Dieselmotoren mit einem Ringträger aus einem speziellen Gußeisen versehen,
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- TELEFON (OSS) 2238612 TELEX OB-20 38Ο TELEGRAMME MONAPAT
wobei der Ringträger in eine Form eingebracht und die Aluminiumlegierung V7ährend der Herstellung des Kolbens rings um den Ringträger gegossen wird. Während der Bearbeitung des Gußstückes wird die Ringnut in dem Ringträger ausgebildet.
Es ist gleichfalls bekannt, daß es schwierig ist, zuverlässige Bindungen zwischen dem Ringträger und dem übrigen Kolben zu erzielen, wobei solche Schwierigkeiten insbesondere darm auftreten, wenn der Ringträger aus einem Eisenwerkstoff und der Rest des Kolbens aus einer Aluminiumlegierung besteht. In der britischen Patentschrift 892 770 ist ein Verfahren zum Gießen von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf ein aus einem Eisenwerkstoff bestehendes Teil beschrieben, bei welchem eine Molybdän-Schicht auf die Oberfläche des aus einem Eisenwerkstoff bestehenden Teils gesprüht wird, worauf eine Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf diese Molybdän-Beschichtung gesprüht wird, um so das beschichtete Teil vorzuerwärmen, worauf Aluminium oder eine Aluminiumlegierung auf die besprühte Oberfläche gegossen wird.
In der britischen Patentschrift 1 161 663 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Verbund-MetallerZeugnisses beschrieben, bei welchem eine Zinnschicht auf eine gesinterte Komponente aus einem Eisenwerkstoff aufgebracht und ein Metall auf die beschichtete, gesinterte Komponente gegossen wird.
In der britischen Patentschrift 1 164 289 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Verbund-Metallerzeugnisses beschrieben, bei welchem eine Komponente aus einem Eisenwerkstoff oder eine gesinterte eisenhaltige Komponente oder eine nicht aus einem Eisenwerkstoff bestehende Komponente mit einem Molybdän-Niederschlag beschichtet, das Molybdän mit einer Zinnschicht ■überzogen und dann ein nicht aus einem Eisenwerkstoff bestehendes Metall auf oder gegen die beschichtete Metallkomponente gegossen wird.
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Tn diesen Fällen ist eine Oberflächenschicht aus Molybdän oder aus Zinn oder aus Molybdän und Zinn erforderlich, um eine Bindung zwischen dem Eisenwerkstoff und dem Nichteisen-Metall herbeizuführen.
Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ein Metallerzeugnis aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung vorgeschlagen, welches in seinem Inneren ein Einsatzteil zur Steigerung der Belastbarkeit oder Verschleißfestigkeit des Erzeugnisses besitzt. Dieses Einsatzteil besteht aus einem Sinterkörper aus einer chrom- und nickelhaltigen austenitischen Eisenlegierung, wobei diese Legierung während oder nach der Sinterung des Körpers mit Kupfer oder einer Kupferlegierung infiltriert worden ist.
Gemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ein Metallerzeugnis in Form eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, wobei der Kolben aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, welche rings um einen Kolbenringträger gegossen ist. Der Kolbenringträger besteht aus einem Sinterkörper aus einer chrom- und nickelhaltigen austenitischen Eisenlegierung, welche Eisenlegierung während oder nach der Sinterung des Körpers mit Kupfer oder einer Kupferlegierung infiltriert worden ist.
Bemerkenswerterweise ist bei der Erfindung keine Oberflächenschicht aus einem dritten Metall erforderlich, um die Bindung zwischen dem Eisenwerkstoff und dem Aluminium beziehungsweise der Aluminiumlegierung zu unterstützen. Dabei sei unterstrichen, daß die Kupferinfiltration nicht etwa zur Ausbildung einer Oberflächenschicht führt. Die Menge des auf der Oberfläche sichtbaren Infiltrationsmittels hängt von der Dichtigkeit des Sinterwerkstoffes ab; üblicherweise sind jedoch lediglich 20 % des Oberflächenbereiches betroffen.
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Es hat sich herausgestellt, daß dann, wenn der aus einem Eisenwerkstoff bestehende Körper nach der Erfindung mit Zinn infiltriert wird, und dann eine Aluminiumlegierung um ihn herumgegossen wird, mangelhafte Bindungen erzielt werden.
Außerdem ist zu bemerken, daß dann, wenn zwar die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens angewandt, jedoch eine normale Eisenlegierung (im Unterschied zu einer austenitischen Eisenlegierung) verwendet wird, Ergebnisse erzielt v/erden, die sich nicht gebrauchen lassen. Wird beispielsweise ein Pulver mit 4 % Kupfer, 0,8 % Kohlenstoff, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen verwendet, auf eine Dichte von 6,6 g/cm gesintert und mit 15 % Kupfer infiltriert, so
3 daß nach der Infiltration eine Dichte von 7,4 g/cm erzielt ist, so wird nach dem Gießen in einen aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Kolben keine zufriedenstellende Bindung zwischen der Aluminiumlegierung und dem gesinterten Eisenwerkstoff erzielt.
Ferner wurde beispielsweise ein Pulver mit 1,7 bis 2,1 % Chrom, 13,5 bis 16,0 % Nickel, 0,8 bis 1,0 % Mangan, 1,6 bis 2,2 % Silizium, 6,0 bis 8,0 % Kupfer, 2,5 bis 2,7 % Gesamtkohlenstoff, maximal 0,65 % Phosphor, Rest Eisen, zur Herstellung eines Eisenskeletts gesintert. Es stellte sich jedoch als unmöglich heraus, dieses Eisenskelett befriedigend zu in- · filtrieren, selbst wenn Kupfer oder eine Kupferlegierung in Mengen von 30 %, bezogen auf das Gewicht des Eisenskeletts, verwendet wurden.
Gemäß eines weiteren Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ein Metallerzeugnis, beispielsweise ein Ringträger für einen aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Kolben vorgeschlagen, der aus einem Sinterkörper aus einer chrom- und nickelhaltigen austenitischen Eisenlegierung besteht, welche Eisenlegierung
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mit Kupfer oder einer Kupferlegierung während oder nach der Sinterung des Körpers infiltriert worden ist.
Gemäß eines noch weiteren Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Metallerzeugnisses vorgeschlagen, mit dessen Hilfe ein hochbelastbares oder verschleißfestes Einsatzteil in einen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehenden Körper aufnehmbar ist. Gemäß dieses Verfahrens wird ein Pulver verdichtet und gesintert, um aus einer chrom- und nickelhaltigen austenitischen Eisenlegierung einen Sinterkörper herzustellen, wobei die Eisenlegierung entweder gleichzeitig oder in einem nachfolgenden Schritt mit Kupfer oder einer Kupferlegierung infiltriert wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles und unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. Diese zeigt einen Querschnitt durch einen Dieselkolben.
Wie der Zeichnung zu entnehmen, besitzt der Kolben einen Körper 11 von geeigneter Gestalt aus einer Aluminiumlegierung, beispielsweise einer Legierung mit 12 % Silizium, Rest Aluminium. Der Kolben hat eine Krone 12, einen Bereich 13 der Ringausnehmung, ein Kolbenbolzauge 14 und ein Kolbenunterteil 15. Der Bereich der ringförmigen Ausnehmung umfaßt einen aus einer Eisenlegierung bestehenden Ringträger 16, in welchem die oberste Ringnut 17 ausgebildet ist. Weitere Ringnuten 18 sind als im Aluminiumkörper des Kolbens ausgebildet dargestellt. Erwünschtenfalls kann der Ringträger jedoch auch vergrößert werden, so daß zwei oder mehr Ringnuten im Ringträger ausgebildet werden können.
Der Ringträger wird dadurch hergestellt, daß ein austenitisches, nicht rostendes Eisenpulver mit 10 bis 30 % Chrom, 6 bis 40 % Nickel sowie gegebenenfalls geringen Anteilen an Mangan, Silizium, Molybdän und/oder anderen bekannten Legierungselementen ausgewählt wird. Liegt Mangan in dem Pulver vor, so beträgt
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sein Gehalt vorzugsweise nicht mehr als 2 %. Falls Siliziumgehalte vorliegen, ist ein Maximalgehalt von 3 % einzuhalten. Sofern vorhanden, übersteigt der Molybdän-Gehalt nicht einen Anteil von 4 %. Der Kohlenstoff-Gehalt ist auf maximal 0,02 % begrenzt. Sofern Phosphor vorhanden, beträgt sein Höchstgehalt 0,05 %, während Schwefel, sofern vorhanden, in einer Höchstmenge von 0,05 % vorliegt.
Es sei unterstrichen, daß die austenitische Natur des Pulvers von Bedeutung ist, und daß, obgleich austenitische Eisenlegierungen bis zu 30 % Chrom und bis zu 40 % Nickel enthalten können, nicht etwa alle Eisenwerkstoffe mit 10 bis 30 % Chrom und 6 bis 40 % Nickel austenitische Werkstoffe sind. Die Erfindung ist beschränkt auf gesinterte Körper aus einem austenitischen Werkstoff.
Bevorzugte Gehaltsbereiche für Chrom und Nickel sind 10 bis 21 % Chrom und 6 bis 14 % Nickel, wobei des weiteren Chromgehalte von 16 bis 20 %, Nickelgehalte von 8 bis 14 %, Chromgehalte von 18 bis 20 %, Nickelgehalte von 8 bis 12 %, Chromgehalte von 16 bis 18 % und Nickelgehalte von 10 bis 14 % als bevorzugte Bereiche gelten. Hierzu sei erwähnt, daß alle im Rahmen der Erfindung genannten Prozentsätze Angaben in Gewichtsprozent darstellen.
Bei dem Infiltrationsmittel kann es sich um handelsüblich reines Kupfer oder um in erster Linie kupferhaltige Legierungen handeln, in welchen jedoch noch geringe Mengen an Legierungselementen, wie Mangan, Eisen oder Kobalt enthalten sind. Das Kupfer oder die Kupferlegierung kann 12 bis 22 Gew.-% der Eisenwerkstoff-Legierung ausmachen.
Ein geeignetes Schmiermittel, beispielsweise 0,75 % Zinkstearat, wird dem Pulver zugefügt und mit Hilfe eines geeigneten Mischers sorgfältig mit dem Pulver vermischt. Das Zinkstearat verschwindet während des Herstellungsvorganges und ist im Fertigerzeugnis
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nicht mehr vorhanden. Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde ein Pulver mit 18 % Chrom, 8 % Nickel, 2,3 % Molybdän, 1,5 % Mangan, 0,3 % Silizium, 0,01 % Kohlenstoff, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, in einer geeigneten Presse verdichtet, worauf der Grünpressling sodann in einem geeigneten Sinterofen in reduzierender Schutzatmosphäre (vorzugsweise wenigstens 30 Minuten lang) bei einer Temperatur von etwa 1.100 C gesintert wurde, wodurch ein gesinterter poröser Körper- oder ein gesintertes poröses Skelett mit einer austenitischen Matrix gebildet wurde.
Die Poren dieses porösen Körpers wurden in der Weise mit Kupfer gefüllt, daß Kupfer in Pulverform oder in Form eines festen Ringes auf den Körper aufgebracht wurde, wobei das Kupfer bis zu 18 Gew.-% des porösen Körpers betrug. Sodann wurde der Körper mit dem Kupfer in einen Ofen eingebracht und bei einer Temperatur von 1.100°C in reduzierender Schutzatmosphäre hinreichend lange erhitzt, bis das Kupfer in die Poren des nichtrostenden Stahlkörpers infiltriert war.
Nach der Infiltration besaß der Körper eine Dichte von 7,6 g/cm und eine Härte von 185 HV5 (Vickers-Härte bei 5 kg Last).
Der aus dem infiltrierten Körper gebildete Ringträger wurde sodann in eine schmelzflüssige Aluminiumlegierung eingetaucht und in die (Guß-)Form für den Kolben eingebracht, worauf die Aluminiumlegierung rings um den Ringträger vergossen wurde. Es wurde gefunden, daß die Bindung zwischen dem Ringträger und dem Aluminiumkörper des Kolbens sehr gut war. So wurde beispielsweise bei der metallographischen Prüfung von Schnitten durch erfindungsgemäße Kolben gefunden, daß der Ringträger über 100 % der Verbindungslinie an den Kolbenkörper gebunden war, was ein äußerst ungewöhnliches Ergebnis ist.
Der den Ringträger enthaltende Kolben wurde sodann bearbeitet, wobei insbesondere die Ringnut in den Ringträger eingearbeitet
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wurde, um einen Kolbenring aufnehmen zu können.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel wurde ein Pulver mit 18 % Chrom, 10 % Nickel, 1,1 % Mangan, 0,5 % Silizium, 0,01 % Gesamtkohlenstoff, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, gemischt und in der bereits erläuterten Weise verdichtet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde jedoch anstelle aufeinander folgender Sinter- und Infiltrationsschritte der verdichtete Körper zusammen mit einem Kupferring, der 15 Gew.-% des legierten Eisenwerkstoffs ausmachte, in einen geeigneten Ofen eingesetzt und dort, vorzugsweise wenigstens 30 Minuten lang, in einer reduzierenden Schutzatmosphäre bei etwa 1.100 C erhitzt. Als Ergebnis wurde ein gesinterter Eisenkörper gewonnen, dessen Poren im wesentlichen mit Kupfer gefüllt waren. Dieser infiltrierte Körper wurde sodann in der bereits erläuterten Weise in einen gegossenen Kolben aus einer Aluminiumlegierung eingearbeitet.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel· wurde ein Pulver mit 12 % Chrom, 12 % Nickel, 2,1 % Molybdän, 1,3 % Mangan, 0,07 % Silizium, 0,01 % Gesamtkohlenstoff, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, verwendet, während bei einem vierten Ausführungsbeispiel ein Pulver mit 25 % Chrom, 20 % Nickel, 0,9 % Mangan, 0,2 % Siiizium, 0,02 % Gesamtkohlenstoff, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, verwendet wurde. Dabei wurden vergleichbare Ergebnisse erzielt, unabhängig davon, ob das Sintern und Infiltrieren in aufeinander folgenden Arbeitsrhythmen vorgenommen wurde, o.der ob diese beiden Vorgänge gleichzeitig in der zuvor erläuterten Weise vorgenommen wurden.
Die Sintertemperatur ist nicht kritisch, liegt jedoch vorzugsweise im Bereich von 1.100 bis 1.120°C, und wegen der Infiltration ist es klar, daß die benutzte Temperatur oberhalb des
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Schmelzpunktes von Kupfer oder der verwendeten Kupferlegierung liegt. Die für die Infiltration benötigte Zeit hängt von der Größe und Gestalt des zu infiltrierenden Eisenkörpers ab.
Wenngleich die Erfindung am Beispiel eines Aluminium-Kolbens beschrieben wurde, welcher rings um einen gesinterten Kolbenringträger aus einem Eisenwerkstoff gegossen wurde, ist die Erfindung gleichfalls bei der Herstellung eines Zylinderkopfes aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung anwendbar, welcher rings um einen gesinterten Ventilsitz aus einem Eisenwerkstoff, oder, wie in der Regel üblich, um eine Vielzahl derartiger Ventilsitze gegossen wird.
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Claims (11)

  1. 2 5 4 O 5 A
    Patentansprüche
    Gußerzeugnis aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, welches mit einem die Belastbarkeit oder die Verschleißfestigkeit steigernden Einsatzteil vergossen worden ist, wie einem Kolben aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, in welchen als Einsatzteil ein Kolbenringträger angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet , daß das Einsatzteil (16) aus einem Sinterkörper aus einer chrom- und nickelhaltigen austenitischen Eisenlegierung besteht, welche Eisenlegierung während oder nach dem Sintern des Körpers mit Kupfer oder einer Kupferlegierung infiltriert worden ist.
  2. 2. Gußerzeugnis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Eisenlegierung 10 bis 30 ' Chrom, 6 bis 40 % Nickel, 0 bis 2 % Mangan, 0 bis 3 ί Silizium, 0 bis 4 % Molybdän und 0 bis 0,2 % Kohlenstoff enthält.
  3. 3. Gußerzeugnis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenlegierung 10 bis 21 ' Chrom und 6 bis 14 % Nickel, oder 16 bis 20 % Chrom und 8 bis 14 % Nickel, oder 18 bis 20 % Chrom und 8 bis 12 % Nickel, oder 16 bis 18 % Chrom und 10 bis 14 % Nickel enthält.
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  4. 4. Gußerzeugnis nach Anspruch 1, dadurchv gekennzeichnet, daß das Kupfer oder die Kupferlegierung 12 bis 22 Gew.-% der Eisenlegierung ausmacht.
  5. Gußerzeugnis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper aus einem Pulver mit 18 % Chrom, 8 % Nickel, 2,3 % Molybdän, 1,5 % Mangan, 0,3 % Silizium, 0,01 % Gesamtkohlenstoff, Rest Eisen und herstdllungsbedingte Verunreinigungen, hergestellt ist.
  6. 6. Gußerzeugnis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper aus einem Pulver mit 18 % Chrom, 10 % Nickel, 1,1 % Mangan, 0,5 % Silizium, 0,01 % Gesamtkohlenstoff, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, hergestellt ist.
  7. 7. Gußerzeugnis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Sinterkörper aus einem Pulver mit 12 % Chrom, 12 % Nickel, 2,1 % Molybdän, 1,3 % Mangan, 0,07 % Silizium, 0,01 % Gesamtkohlenstoff, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, hergestellt ist.
  8. 8. Gußerzeugnis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Sinterkörper aus einem Pulver mit 25 % Chrom, 20 % Nickel, 0,9 % Mangan, 0,2 % Silizium, 0,02 % Gesamtkohlenstoff, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, hergestellt worden ist.
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  9. 9. Verfahren zinn Herstellen des Gußerzeugnisses nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper aus der chrom- und nickelhaltigen austenitischen Eisenlegierung durch Verdichten und Sintern eines Pulvers hergestellt wird, daß die Eisenlegierung entweder gleichzeitig mit dem Sintern oder in einem nachfolgenden Schritt mit Kupfer oder einer Kupferlegierung infiltriert wird, und daß Aluminium oder eine Aluminiumlegierung um das Einsatzteil vergossen wird.
  10. 10. Metallerzeugnis, insbesondere Ringträger zum Einfügen in einen aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Kolben, dadurch gekennzeichnet , daß es aus einem Sinterkörper aus einer chrom- und nickelhaltigen austenitischen Eisenlegierung besteht, welche Eisenlegierung während oder nach dem Sintern des Körpers mit Kupfer oder einer Kupferlegierung infiltriert worden ist.
  11. 11. Verfahren zum Herstellen eines Metallerzeugnisses, welches zum Einfügen als lastaufnehmendes oder als verschleißbeständiges Einsatzteil in einen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehenden Körper geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sinterkörper aus einer chrom- und nickelhaltigen austenitischen Eisenlegierung durch Verdichten und Sintern eines Pulvers hergestellt wird, und daß die Eisenlegierung entweder gleichzeitig mit . dem Sintern oder in einem nachfolgenden Schritt mit Kupfer oder einer Kupferlegierung infiltriert wird.
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DE2540542A1 true DE2540542A1 (de) 1976-03-25
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