DE2709844A1

DE2709844A1 - Verfahren zur herstellung von hohlkoerpern aus alsi-legierungen durch fliesspressen von granulat

Info

Publication number: DE2709844A1
Application number: DE19772709844
Authority: DE
Inventors: Jean-Louis Mazodier; Rene Perrot
Original assignee: Aluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 1976-03-10
Filing date: 1977-03-07
Publication date: 1977-09-15
Also published as: IT1092704B; JPS5727161B2; US4099314A; SE7702614L; JPS52109415A; FR2343895A1; GB1533100A; FR2343895B1; DE2709844C2

Description

UR. ING. F. WOESTIIOFF UR. E. ν. PECHM ANN UK. ING. U. BBURENS UIPL. ING. R. GOETZ PATEMTAN WlLTE

f> MÜNCHEN OO SCHWEIGKRSTRASSS S Tlllron (08β> «S2O31 TBLBZ B 24 070

TXLKORAHIfE t PItOTKOTPATlCIfT MORCIBIf

Anmelder: SOCIf)TS DE VENTE DE 'L·ALUMINIUM PECHINEY 23bis, rue Balzac, 75008 Paris Frankreich

Titel: Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus

AlSi-Legierungen durch Fließpressen von Gran ülat

709837/0843

DR. ING. F. WUKSTHOKF DR.E.T. PECIIMANN DR. ING. D. BEHREN8 DIPL·. ING. H. GOBTK PATENTANWÄLTE

fcOOO MÜNCHEN OO SOT WEIOF.HSTHA.SSE 2 TtLEPON (089) ββ 20 Sl TBLKl 5 24 070

PBOTKOTF

1A-49 010 2709844

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus siliciumhaltigen Aluminiumlegierungen, die verbesserte Eigenschaften aufweisen vor allem hinsichtlich der Reibungseigenschaften gegenüber Hohlkörpern, die aus diesen Legierungen nach dem Stand derTechnik hergestellt wurden. Diese Hohlkörper sind beispielsweise Laufbuchsen für Verbrennungsmotor-Zylinder, Wagenheberkörper und allgemein alle Hohlkörper mit fixem, d.h. gleichbleibendem^ oder über seine Länge wenig variablem Profil, die ein gutes Reibungsverhalten aufweisen sollen.

Derartige Hohlkörper werden im allgemeinen nach zwei Arbeitsweisen hergestellt nämlich:

entweder durch Gießen: so werden Zylinder-Laufbüchsen aus Gußeisen durch Schleuderguß und aus Aluminiumlegierungen durch Druckguß hergestellt,

oder durch Fließpressen: manchmal werden Pumpenkörper aus Aluminiumlegierung durch Schlagfließpressen von gegossenen oder aus einem Halbzeug ausgeschnittenen Scheiben oder Platinen hergestellt.

Werden Aluminiumlegierungen zur Herstellung derartiger Hohlkörper verwendet und handelt es sich insbesondere um Laufbuchsen für Motoren mit Innenverbrennung, so geht die derzeitige Praxis dahin, daß man siliciumhaltige Legierungen

709337/0843

27098U

und vor allem übereutektische Legierungen verwendet, d.h. Alurainiumlegierungen mit einem mittleren Siliciumgehalt über 12 %. Diese Art von Legierungen ist besonders für derartige Anwendungen aus zwei Hauptgründen geeignet:

1) Die übereutektischen AlSi-Legierungen weisen einen geringeren Dehnungskoeffizienten auf als die anderen Aluminiumlegierungen; dies ist zweifellos von Bedeutung, wenn es sich um Werkstücke handelt, die sich mit geringem und eingestelltem Spiel gegeneinander bewegen und deren Temperatur während des Betriebes steigt.

2) Die Anwesenheit von harten Primärkristallen von Silicium in einer weicheren Grundmasse aus Aluminium macht diese Legierungen besonders geeignet, mit oder auch ohne zusätzliche Oberflächenbehandlung, für Flächen, die Mikrounebenheiten oder -rauhheiten aufweisen, welche für die Zurückhaltung der Schmier- und Gleitmittel günstig sind.

Man muß jedoch bemerken, daß diese eutektische Zusammensetzung nicht streng ist und daß aufgrund von Abweichungen vom Gleichgewichtszustand man stets Primärkristalle von Silicium in Legierungen antrifft, die dem Eutektikum sehr nahekommen, beispielsweise in Legierungen A-S13 oder A-S12UN und selbst in Legierungen mit übereutektischer Zusammensetzung wie A-S1OUG.

Eine große Schwierigkeit bei der Herstellung von Werkstücken aus Legierungen mit hohem Siliciumgehalt oder übereutektischem Gefüge liegt darin, daß es notwendig ist, daß die Silicium-Primärkristalle nicht zu groß sind. Die zulässige Maximalgrößs beträgt im allgemeinen 100 /Um. Diese Forderung ist aber bei Gußstücken nur schwer zu erfüllen, vor allem wenn diese ziemlich groß sind. Bei fließ- bzw. stranggepreßten Werkstücken hingegen sind die Siliciumkristalle nur wenig

709837/0843 - 3 -

27098U

-i-

ζ 1Α-49 010

kleiner gegenüber dem gegossenen Rohling und man steht daher vor den gleichen Schwierigkeiten (wie oben).

Die Erfindung bezieht sich daher auf die Herstellung von Hohlkörpern aus Aluminiumlegierungen enthaltend primäres Silicium mit 15 bis 20 % Si und gegebenenfalls weitere Elemente in entsprechenden Mengen wie 1 bis 5 % Cu, 0,5 bis1,5 % Mg sowie gegebenenfalls 0,5 bis 1,5 % Ni.

Diese Hohlkörper weisen folgende Eigenschaften auf:

das primär ausgeschiedene Silicium liegt in einer Teilchengröße <<.2O /um vor, während sie bei bekannten Verfahren >20 /um ist.

Ihre Porosität ist gering und nicht auf bestimmte Bereiche konzentriert, die dann eine Schwachstelle darstellen oder keine ausreichende Dichtigkeit unter Druck haben fUr fließfähige Medien, wie dies manchmal bei durch Druckguß erzeugten Formkörpern der Fall ist.

Ihre Duktilität ist gegenüber den üblichen Gußkörpern verbessert.

Sie besitzen bessere Reibungseigenschaften als Produkte nach dem Stand der Technik. Diese können noch verbessert werden durch Verbindungen, die die Verschleißfestigkeit erhöhen oder den Reibungskoeffizienten herabsetzen.

Ihre Bearbeitbarkeit ist erheblich besser als von Erzeugnissen analoger Zusammensetzung, die Jedoch in bekannter Weise hergestellt worden sind.

709837/08A3

1A-49 010

-/- 27098U

Die Erfindung besteht darin, daß man ein Granulat aus der Aluminiumlegierung zu Hohlkörpern fließpreßt und schließlich diese Hohlkörper nacharbeitet. Der vollständige Fertigungsgang für derartige Hohlkörper ist somit folgender:

Herstellung von Blöcken aus einer Legierung definierter Zusammensetzung in Abhängigkeit von der vorgesehenen Verwendung, beispielsweise Al-Legierung enthaltend 15 bis 20 % Si, 1 bis 5 % Cu, 0,5 bis 1,5 % Mg und gegebenenfalls 0,5 bis 1,5 % Ni.

Einschmelzen der Blöcke und Granulieren der Schmelze auf übliche Art (wie Abschleudern, Zerstäuben, Drehelektrode....). Die Größenverteilung in den Granalien liegt im allgemeinen im Bereich von 5 /um bis 2 mm. Je nach Herstellungsweise wird die Größenverteilung gröber oder feiner sein; ist die Abkühlgeschwindigkeit größer oder geringer, so erhält man kleinere bzw. größere Siliciumteilchen. Bei durch Abschleudern erhaltenen Granalien von 300 /um bis 2 mm beträgt die Größe der Siliciumteilchen 2 /um bis 20 /um. Für durch Zerstäuben erhaltene Granalien von <C100 /um liegt die Siliciumteilchengröße < 5 /um.

Gegebenenfalls Mischen der Legierungsgranalien mit solchen aus Siliciumcarbid, Zinn oder Graphit;

gegebenenfalls isostatisches oder mechanisches Pressen der Granalien;

gegebenenfalls Vorwärmen auf Fließpreßtemperatur der gegebenenfalls zuvor verdichteten Granalien;

Einbringen in den Aufnehmer der Fließ- bzw. Strangpresse;

709837/0843 - 5 -

u-49 οίο 27098U

-r- f

Fließpressen von Rohren, die sich für Laufbuchsen oder Gehäuse eignen; dies ist ein Übliches Fließpressen und zwar entweder Fließpressen mit einem Brückenwerkzeug, wobei die Brücke über der Fließpresse angeordnet ist und den Dorn für die Lochung trägt, oder Fließpressen auf flacher Presse mit beweglichem Dorn und Ziehring.

Gegebenenfalls Richten und^oder Kalibrieren; gegebenenfalls Wärmebehandlung zur Stabilisierung; Ablängen und Nacharbeiten.
Einige obiger Verfahrensstufen sind fakultativ, nämlich:

Zumischen von Siliciumcarbid-, Zinn- oder Graphit-Granalien zur Al-Legierung, um besondere Härte (Siliciumcarbid) oder besonderes Reibungsverhalten (Zinn oder Graphit) zu erreichen, und Verdichten der Granalien, was kalt oder warm vorgenommen werden kann, gegebenenfalls unter Vakuum zur Verringerung der Porosität im fließgepreßten Produkt.

Die erfindungsgemäßen Hohlkörper zeichnen sich durch eine Reihe von bemerkenswerten Eigenschaften aus: vor allem ist ihr Reibungsverhalten deutlich verbessert gegenüber den nach dem Stand der Technik hergestellten Produkten. Diese Verbesserung geht wohl auf das besonders feine Gefüge des erhaltenen Produktes zurück. Die Teilchengröße der Primärkristalle von Silicium ist <20 /um und kann maximal 5 yum betragen, während nach den klassischen Gießverfahren (wie Druckgießen oder Gießen unter vermindertem Druck) die Teilchengröße 20 bis 80 /um beträgt.

709837/0843

27098U

Fig. 1 zeigt die Mikrophotographie (200 X) aus einem Hohlkörper der Legierung A-S17U4G (enthaltend etwa 17 96 Si, 4 % Cu und 0,5 % Mg), der durch Fließpressen von Granalien hergestellt worden ist. Die meisten Siliciumkristalle (schwarz) weisen eine Teilchengröße <20 /um auf.

Fig. 2 zeigt die Mikrophotographie (200 X) aus einem Hohlkörper hergestellt aus der gleichen Legierung, Jedoch nach dem Stand der Technik bei vermindertem Druck gegossen.

Die unterschiedliche Kristallgröße ist sehr klar zu erkennen.

Die Verbesserung der Produkte nach der Erfindung liegt auch in der feinen und gleichmäßig verteilten Porosität, die die Schmierung verbessert, da Bereiche für die Aufnahme von Öl zur Verfügung stehen; bei den durch Gießen erhaltenen Produkten ist die Porosität ungleichmäßig verteilt und kann Örtlich sehr beträchtlich sein.

Ein weiterer Vorteil ist die mögliche Anwesenheit von z.B, Siliciumcarbid, Zinn oder Graphit in der Grundmasse, wodurch die Verschleißfestigkeit verbessert bzw. der Reibungskoeffizient herabgesetzt wird.

Die erfindungsgemäß hergestellten Hohlkörper zeichnen sich weiterhin durch ein ganz ausgezeichnetes Verhalten beim Nacharbeiten aus, das deutlich besser ist als dasjenige von nach bekannten Verfahren verarbeiteten Legierungen analoger Zusammensetzung, Dies zeigt sich in einer ausgezeichneten Spanbildung, einer ausgezeichneten Oberflächenbeschaffenheit und durch sehr wesentlich geringeren Werkzeugverschleiß.

Dieses gute Verhalten beruht auf dem Fehlen von großen Si-PrimärkristaDlen, die bekanntlich die Bearbeitung sehr erschweren.

♦Legierungs- 709837/0843

weiterer
VonBedeutung ist auch die sehr feine und sehr gut verteilte

Porosität. Es treten au8ß nicht die bei den in üblicher Weise hergestellten Hohlkörpern bekannten örtlichen hohen Porositäten auf verbunden mit geringer Festigkeit oder unzureichender Dichtigkeit für Flüssigkeiten unter Druck.

Schließlich zeichnen sich die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gegenstände durch eine erkennbar höhere Plastizität aus (Abstand Streckgrena^Bruchdehnung.'von 15 hbar und Dehnung 5 %) als die durch Guß erzeugten Produkte, die praktisch überhaupt keine Plastizität aufweisen, wie es der Abstand in der Größenordnung von nur 0,5 hbar und eine Dehnung <1 % zeigen.

Zusammenfassen^ läßt sich sagen, daß die nach der Erfindung durch Fließpressen von Granalien erzeugten Hohlkörper sich in metallurgischer Hinsicht durch eine Si-Primärkristallteilchengröße «C20 yum, eine geringe und regelmäßig verteilte Porosität und eine zellenförmige Anordnung der für die besondere Textur aller fließgepreßten Erzeugnisse eigentümlichen Komponenten auszeichnen. Außerdem liegt ihr Sauerstoffgehalt aufgrund der oberflächlichen Oxidation der Granalien bei 100 bis 15 000 ppm.

Das erfindungsgemäßeyfrerfahren gestattet eine erhebliche Vereinfachung der üblichen Verfahren der Herstellung von Hohlkörpern, indem man durch Strang- oder Fließpressen Gegenstände erhält, die fast die Endmaße und eine gute Oberfläche aufweisen. Dies ist ein merklicher Vorteil gegenüber dem Gießverfahren, bei dem beträchtliche Nacharbeitung des Gießlings notwendig ist. Auch führt das erfindungsgemäße Verfahren zu leichter nacharbeitbaren Gegenständen als das Schlagfließpressen oder Druckgießen; dies ermöglicht erhebliche Einsparungen bei der Nacharbeitung und einen geringeren Werkzeugverschleiß.

709837/0843

Aq

Die Anwendung von Legierungen mit einer Zusammensetzung und einem Gefüge, wie sie nach den bekannten Verfahren nicht erreicht werden konnten, oder von komplexen Legierungen mit Siliciumcarbid, Zinn oder Graphit macht es möglich,die für die meisten Anwendungen hinsichtlich Reibung bisher notwendigen Oberflächenbehandlungen einzusparen.

In manchen Fällen kann ein oberflächliches chemisches Anätzen und anschließendes Polieren oder Nachschleifen interessant sein, um aus einer Gleitfläche Si-Primärkristalle zu lösen.

Die folgenden Beispiele dienen zur näheren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1

Es wurden Laufbuchsen für Verbrennungsmotoren wie folgt hergestellt:

a) Herstellung einer Legierung A-S17U4G der Zusammensetzung:

Si = 16,80 %

Cu = 4,40 96

Mg = 0,55 %

Fe = 0,80 %

Al = Rest

und Frischen von Primärsilicium mit Phosphor in an sich bekannter Weise.

b) Granulierung

Die Schmelze wurde auf etwa 850⁰C gebracht, 30 min bei dieser Temperatur gehalten und dann mittels Zentrifugieren zerstäubt (abgeschleudert), Teilchengröße 50 /Um bis 2 mm; feines Gefüge; Si-Primärkristalle in der Größe von 2 bis maximal 20 /um.

709837/08*3

- W-ΑΛ

c) Strangpressen der Rohrstücke für Laufbüchsen in einer üblichen Strangpresse mit Brückenwerkzeug. Das nicht vorgewärmte und nicht verdichtete Granulat wurde lose in den Aufnehmer der Strangpresse gefüllt; Aufnehmer und Werkzeuge wurden nicht geschmiert, aber auf eine Temperatur von etwa 450⁰C erwärmt. Um zu verhindern, daß das Granulat vorzeitig in die Strangpresse gelangt, wurde vor diese eine Aluminiumfolie gegeben; der auf den Stempel ausgeübte Druck wurde erhöht bis zum Fließen des Metalls. Dieses Fließen ermöglicht ein Aufbrechen der an der Oberfläche der Granalien vorhandenen Oxidschicht und gewährleistet stets frische, nicht-oxidierte Flächen, die leicht verschweißen.·

d) Abrichten des Rohrstücks durch Walzen in üblicher Weise

e) Ablängen des Rohrstücks für die Laufbüchsen

f) Wärmebehandlung zur Stabilisierung während einiger Stunden bei 220 bis 25O°C (d.h. über der Arbeitsteraperatur)

g) Nacharbeiten auf Maß

Die auf diese Weise erhaltenen Laufbuchsen zeichneten sich durch ein sehr feines Gefüge analog dem in Fig. 1 gezeigten aus.

Die mechanischen Eigenschaften wurden im Zugversuch ermittelt und zwar an Prüfkörpern, die in Preßrichtung (P) und quer zur Strangpreßrichtung (Q) entnommen wurden,und zum Vergleich an Prüfkörpern der druckgegossenen Legierung bkw. von Gußeisen.

- 10 709837/0843

Richtung ^₁

, _ ⁰B D 4

der Pro-

benahme hbar 5,65 iSo

A-S17U4G erfin	längs	26,6	5,0
dungsgemäß	quer	25,2	3,7
A-S17U4G Druck		29,0	1 0
guß
Gußeisen		20 bis 40	-,1,0

Die Dehnung wurde auf 5,65 VSo bezogen, wobei So den Querschnitt des Prüfkörpers bedeutet.

Der Vergleich zeigt, daß bei einer Bruchlast in etwa der des Druckgießlings und des Gußeisens das erfindungsgemäß erhaltene Produkt eine größere Dehnung aufweist, was sich in einer deutlich verminderten Sprödigkeit zeigt.

Das Reibungsverhalten wurde in einem Simuliertest folgender Art bewertet:

Als Prüfkörper dienten zwei sich gemäß Fig. 3 berührende Scheiben (rechts Aufriß und links Seitenansicht). Die Scheiben werden gedreht, so daß ein reines Gleiten von 10 96 (Winkelgeschwindigkeit) stattfindet. An der Berührungsfläche wird Öl mit konstanter Temperatur aufgebracht und im Verlauf des Versuches folgendes gemessen:

die auf die obere Scheibe ausgeübte Kraft P, die Berührungstemperatür,
das Reibungsmoment.

- 11 709837/0843

Die Prüfkörper waren 10 mm dicke Scheiben, Innendurchmesser 16 mm. Die untere Scheibe bestand aus A-S12UN, hatte einen Außendurchmesser von 65 mm und diente zum Vergleich (1), die obere erfindungsgemäße Scheibe hatte einen Außendurchmesser von 35 mm (2).

Die Reibungsversuche liefen in zwei Teilen ab:

1) Fressen

2) Verschleiß

Beide Versuche beganner, mit dem Einlaufen

a) Fressen

Nach einer gewissen Einlaufzeit unter einer relativ geringen Last mit konstanter Geschwindigkeit wurde von Zeit zu Zeit die Last erhöht, bis die ersten Anzeichen für ein Fressen auftraten, nämlich Temperaturanstieg an der Berührungsstelle sowie Anstieg und vor allem Destabilisierung des Reibungskoeffizienten.

Die im Zeitpunkt des Fressens ausgeübte Last ist die Freßlast.

b) Verschleiß

Nach obigem Einlaufen wurde die 0,5 bis 0,8-fache Freßlast 2 bis 5 h eingehalten und die Gewichtsverluste der beiden Prüfkörper gemessen.

- 12 -

709837/0843

Freßlast Reibungs- Verschleiß, mg

daN koeffizient Scheibe aus Scheibe aus bei P=20 daN A-S21UN S17U4G oder

Gußelsen

A-S17U4G
erfindungsgemäß

A-S17U4G
Druckguß

A-S17U4G Guß unter niederem Druck

Gußeisen

90

80

30

0,015

0,045

67 52

12

80

0,109

2 100

0,5

Dieser Versuch zeigt, daß der erfindungsgemäß aus Legierung A-S17U4G hergestellte Prüfkörper hinsichtlich Freßlast, Reibungskoeffizient und Verschleiß dem Prüfkörper aus dem Druckguß entspricht, jedoch eine deutliche Verbesserung gegenüber einem solchen aus dem Guß-BeT niederem Druck, der eine wesentlich geringere Freßlast und einen wesentlich höheren Reibungskoeffizienten hat,und gegenüber einem solchen aus Gußeisen der bei gleicher Freßlast einen wesentlich höheren Reibungskoeffizienten und einen größeren Verschleiß ze±gt.

Beispiel 2

Es wurden Laufbuchsen für Verbrennungsmotoren wie folgt hergestellt:

a) Erschmelzen einer Legierung A-S25U4G

Si = 25 %

Cu = 4,3 %

Mg = 0,6596

Fe * 0,8 %

Al = Rest

709837/0843

- 13 -

27098U

und Feinen des Primärsiliciums mit Phosphor in an sich bekannter Weise.

b) Granulieren:

Die Schmelze wurde 30 min auf etwa 900°C gehalten und dann zerstäubt, Größenverteilung 5 bis 500 /um; verwendet wurde nur <C100 /Um;feines Gefüge mit Si-Primärkristallen <5 /um.

c) Kaltpressen in einer vertikalen Presse mit 50 kg/mm

d) Strangpressen von Rohrstücken für Laufbüchsen nach Beispiel 1 und zwar ohne Aufwärmen

e) Abrichten durch Walzen in an sich bekannter Weise

f) Ablängen

g) Wärmebehandlung zur Stabilisierung während einiger Stunden bei 220 bis 25O°C oder Lösungsglühen, Abschrecken und Vergüten

h) Nacharbeiten

Das Gefüge der Laufbüchsen war sehr fein, die Größe der SiIiciumkristalle lag unter 5 /um. Nach der Wärmebehandlung war die Porosität sehr fein und gleichmäßig verteilt.

Richtung der 0^_ß D % Probenahme hbar 5.65 YSo

A-S25U4G, erfindungsge	längs	29	4
mäß	quer	28	2,5
nach Lösungsglühen, Ab	längs	55	2
schrecken, Vergüten	quer	52	0,7

709837/0843

27098U /ft.

Bemerkenswert sind die hohen Bruchlasten in Verbindung mit der hohen Dehnung. Die nach Beispiel 1 bestimmten Reibungseigenschaften waren für erfindungsgemäße Prüfkörper und solchen aus Druckguß einer Legierung A-S17U4G gleich, die Verschleißfestigkeit hingegen war merklich verbessert, denn der Gewichtsverlust je Zeiteinheit war um den Faktor 1,5 vermindert.

709837/0843
817208

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern mit verbessertem Reibungsverhalten und Bearbeitbarkeit aus AlSi-Legierungen mit primären Siliclumkrlstallen und 15 bis 20 % Si durch Strang- oder Fließpressen, dadurch g e k e η η -ζ eichnet, daß man ein Granulat mit einer Körnung von 5 /um bis 2 mm preßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Legierung mit zusätzlich 1 bis 5 % Cu, 0,5 bis 1,5 % Mg und gegebenenfalls 0,5 bis 1,5 % Ni preßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gemisch von Granulat und Siliciumcarbid, Zinn oder Graphit preßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man nach dem Pressen zur Stabilisierung lösungsglUht, abschreckt und vergütet.

728183

709837/08*3

ORIGINAL INSPECTED