DE3874150T2 - Gegenstaende aus aluminium-siliciumlegierung und verfahren zur herstellung. - Google Patents

Gegenstaende aus aluminium-siliciumlegierung und verfahren zur herstellung.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Gegenstand aus einer Aluminium-Siliciumlegierung, der durch ein Preßformverfahren hergestellt wird, insbesondere, aber nicht unbedingt eine preßgeformte Zylinderlaufbüchse aus einer Aluminium-Siliciumlegierung für einen Verbrennungsmotor.
  • Es ist bekannt, daß Zylinderlaufbüchsen durch Preßformen von Aluminiumlegierungen hergestellt werden können, aber um ausreichende Verschleißeigenschaften zu erreichen, mußten die Innenbohrungen derartiger Laufbüchsen bisher mit einer Nickel-Silicium-Carbidverbundschicht überzogen werden. Solche Beschichtungsverfahren haben im allgemeinen zur Folge, daß die Herstellungskosten dieser Laufbüchsen wesentlich erhöht werden.
  • In der GB-A-2085920 von Comalco Limited wird vorgeschlagen, bei der Herstellung verschiedener Automobilbauteile eine gegossene Aluminium-Siliciumlegierung zu verwenden, die ein im wesentlichen eutektisches Feingefüge aufweist, das nicht mehr als 10% Alpha-Hüttenaluminium-Dendriten enthält und im wesentlichen frei von intermetallischen Teilchen ist, deren Durchmesser 10µ übersteigt. Weitere Angaben über diese Legierung, dem Thema dieser Patentschrift, befinden sich in der Technischen Schriftenreihe SAE 840123 und 860558, wo es heißt, daß sich die von Comalco Limited als 3HA identifizierte Legierung für Kokillen-, Niederdruck- oder Hochdruckgießverfahren eignet.
  • Aus der oben aufgeführten Patentschrift und den oben aufgeführten Schriften geht hervor, daß die Eigenschaften der Legierung 3HA durch das richtige Feingefüge bestimmt werden, welches wiederum von der spezifischen Legierungszusammensetzung und deren Erstarrungsparametern abhängt. In der Patentschrift wird zum Beispiel angegeben, daß die Festigkeit der Grundmasse durch das Vorhandensein von stabilem Mangan und Zirkonium enthaltenden Teilchen erhöht wird. Es wird außerdem angegeben, daß wegen seiner bekannten Korn-verfeinernden Eigenschaften Titan hinzugefügt wird, um die Gießeigenschaften und die mechanischen Eigenschaften der Legierung zu verbessern.
  • Wir haben festgestellt, daß aus einer Aluminium-Siliziumlegierung hergestellte Gegenstände mit ähnlichen wünschenswerten Eigenschaften wie die Legierung 3HA aus einer Schmelze mit einer anderen Zusammensetzung als 3HA und anderen Erstarrungsparametern gefertigt werden können. Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung ist es daher, einen neuen oder verbesserten Gegenstand aus einer Aluminium-Siliciumlegierung und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines preßgeformten Gegenstandes aus einer Schmelze mit folgender Zusammensetzung in Gewichtsprozent geschaffen:
  • Silicium 14% bis 16%
  • Kupfer 1,9% bis 2,2%
  • Nickel 1,0% bis 1,4%
  • Magnesium 0,4% bis 0,55%
  • Eisen 0,6% bis 1,0%
  • Mangan 0,3% bis 0,6%
  • Silicium-Modifiziermittel 0,02% bis 0,1%
  • wobei es sich bei dem Rest um Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen handelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze während des Preßformvorgangs unter anhaltenden Temperatur- und Druckverhältnissen in der Weise erstarrt, daß die Wachstumsrate R der festen Phase während der Erstarrung zwischen 1.000 und 2.500 µ/s beträgt und der Temperaturgradient G an der Grenzfläche zwischen der festen und flüssigen Phase - ausgedrückt in ºC/cm - dergestalt ist, daß das Verhältnis G/R zwischen 100 und 1.000 ºCs/cm² beträgt, um einen erstarrten Gegenstand in geformtem Zustand mit einem im wesentlichen eutektischen Feingefüge zu schaffen, das nicht mehr als 10% Alpha-Hüttenaluminium-Dendriten enthält und im wesentlichen frei von intermetallischen Teilchen ist, deren Durchmesser 10µ übersteigt.
  • Das Verfahren kann einen weiteren Verfahrensschritt aufweisen, der darin besteht, daß der Gegenstand in geformtem Zustand einer vollständigen Wärmebehandlung unterzogen wird, wobei es sich um Lösungsglühen handelt und der Gegenstand erwärmt und auf einer ersten Temperatur gehalten, in Wasser abgeschreckt, wiedererwärmt und auf einer zweiten Temperatur gehalten wird, die niedriger ist als die erste Temperatur.
  • Das Gewicht des Silicium-Modifiziermittels in der Schmelze kann zwischen 0,02% und 0,08% betragen, und vorzugsweise handelt es sich bei dem Silicium-Modifiziermittel um Strontium.
  • Bei dem oben aufgeführten preßgeformten Gegenstand aus einer Aluminium-Siliciumlegierung handelt es sich zweckmäßigerweise um eine Zylinderlaufbüchse für einen Verbrennungsmotor, obgleich erfindungsgemäß hergestellte preßgeformte Gegenstände auch andere Bauteile sein können, bei denen die verschleißfesten Eigenschaften von Bedeutung sind; so kann es sich zum Beispiel, aber nicht ausschließlich, bei solchen Gegenständen um einen Hubkolben für einen Verbrennungsmotor oder Verdichter oder um eine Bremsscheibe oder -trommel oder um einen Bremszylinder für Automobilanwendungen handeln.
  • Wie dem Fachmann bekannt ist, besteht die Technik des Preßformens im wesentlichen darin, daß flüssiges Metall in den ersten Teil einer Gußform gegossen wird, die Form dann unter Druck geschlossen wird, so daß das flüssige Metall den Hohlraum der Form ausfüllt, ohne Luft einzufangen, wobei das Metall während der Erstarrung unter Druck gehalten wird, um sicherzustellen, daß eventuell sich bildende Lunkerhohlräume geschlossen und gefüllt werden; anschließend wird die Form geöffnet und der preßgeformte Gegenstand entfernt.
  • Preßformen unterscheidet sich daher von Kokillen-, Niederdruck-oder Hochdruckgießverfahren insofern, als die Schmelzenerstarrung unter anhaltenden Temperatur- und Druckverhältnissen stattfindet. In einem typischen Anwendungsfall beträgt der auf die Schmelze ausgeübte Druck ca. 70 MPa und wird über einen Zeitraum von ca. 40 Sekunden aufrechterhalten. Die Erstarrungsparameter des Preßformens unterscheiden sich von denen anderer bekannter Gießverfahren, und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das gewünschte Feingefüge bei einer Erstarrungswachstumsrate R der festen Phase von 1.000 bis 2.500 µ/s erzielt werden, während Zirkonium und Titan nicht in der Zusammensetzung enthalten sind. Insbesondere ist Titan nicht erforderlich, da der gewünschte Kornfeinheitsgrad in dem Gegenstand in gepreßtem Zustand als direkte Folge des Preßform-Fertigungsverfahrens auftritt.
  • Zylinderlaufbüchsen wurden erfindungsgemäß hergestellt, und das Feingefüge von Querschnitten einer Laufbüchse ist in den beigefügten Figuren dargestellt. Es zeigt
  • Fig. 1 ein Schliffbild - in 400-facher Vergrößerung - eines ungeätzten Schnittes einer Laufbüchse in geformtem Zustand und
  • Fig. 2 ein Schliffbild - in 400-facher Vergrößerung - eines entsprechenden ungeätzten Schnitts einer Laufbüchse nach Abschluß der Wärmebehandlung (T6).
  • Als Beispiele und zu Prüfzwecken wurden Zylinderlaufbüchsen für einen Verbrennungsmotor durch Preßformen von Aluminium-Siliciumlegierungen mit folgender Zusammensetzung in Gewichtsprozent hergestellt:
    • Beipiel 1
  • Silicium 14% bis 16%
  • Kupfer 1,9% bis 2,2%
  • Nickel 1,0% bis 1,4%
  • Magnesium 0,4% bis 0,55%
  • Eisen 0, 6% bis 1,0%
  • Mangan 0,3% bis 0,6%
  • Strontium 0,02% bis 0,08%
  • wobei es sich bei dem Rest um Aluminium und begleitende Verunreinigungen handelt.
    • Beispiel 2
  • Silicium 14% bis 16%
  • Kupfer 1,9% bis 2,2%
  • Nickel 1,0% bis 1,4%
  • Magnesium 0,4% bis 0,55%
  • Eisen 0,6% bis 1,0%
  • Mangan 0,3% bis 0,6%
  • Strontium 0,02% bis 0,1%
  • wobei es sich bei dem Rest um Aluminium und begleitende Verunreinigungen handelt.
  • Während des Preßformens der Zylinderlaufbüchsen beider Zusammensetzungen betrug die Wachstumsrate R der festen Phase während der Erstarrung zwischen 1.000 und 2.500 µ/s, und der Temperaturgradient G an der Grenzfläche zwischen der festen und flüssigen Phase - ausgedrückt in ºC/cm - war dergestalt, daß das Verhältnis G/R zwischen 100 und 1.000 ºCs/cm² betrug.
  • Das in dem Schliffbild in Fig. 1 erkennbare Feingefüge der Zylinderlaufbüchse nach dem Preßformen stellte sich als im wesentlichen eutektischer Art heraus und enthielt nicht mehr als 10% Alpha-Hüttenaluminium-Dendriten und war im wesentlichen frei von intermetallischen Teilchen, deren Durchmesser 10µ überstieg.
  • Die preßgeformten Laufbüchsen wurden dann einer vollständigen Wärmebehandlung unterzogen (T6), wobei es sich um Lösungsglühen handelte und die Laufbüchsen erwärmt und zwischen 5 und 20 Stunden auf einer Temperatur von ca. 480 ºC bis 530 ºC gehalten, in heißem Wasser abgeschreckt und dann künstlich gealtert wurden, indem man sie wiedererwärmte und zwischen zwei und 30 Stunden auf einer Temperatur von ca. 140 ºC bis 250 ºC hielt. Das Feingefüge einer auf diese Weise wärmebehandelten Laufbüchse ergibt sich aus dem in der Fig. 2 dargestellten Feingefüge. Im Anschluß an diese vollständige Wärmebehandlung wurden die folgenden durchschnittlichen mechanischen Eigenschaften festgestellt:
  • Zugfestigkeit 350 bis 380 MPa
  • Härte (BHN) 130 bis 160
  • 0,2% Dehngrenze 400 bis 450 MPa
  • Weitere mechanische Prüfungen bei erhöhten Temperaturen ergaben die folgenden Zugfestigkeitswerte:
  • 150 ºC 1 Stunde 330 bis 360 MPa
  • 1000 Stunden 300 bis 320 MPa
  • 200 ºC 1 Stunde 310 bis 340 MPa
  • 1000 Stunden 200 bis 230 MPa
  • 250 ºC 1 Stunde 220 bis 240 MPa
  • 1000 Stunden 100 bis 150 MPa
  • Unter Gleitverschleißbedingungen erwiesen sich die Verschleißwiderstandseigenschaften der nach der obigen Beschreibung hergestellten Zylinderlaufbüchsen als ausgezeichnet. Der erfindungsgemäße Gegenstand weist also die natürlichen Vorteile eines preßgeformten Produktes auf, indem er, ohne daß Luft eingefangen wird, mit einer hohen Dichte in einer relativ kurzen Fertigungszeit hergestellt wird, während er sich gleichzeitig durch die wünschenswerten Eigenschaften eines im wesentlichen eutektischen Feingefüges auszeichnet. Außerdem können durch Anwendung des Preßformverfahrens die teuren Legierungselemente Zirkonium und Titan weggelassen werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines preßgeformten Gegenstandes aus einer Schmelze mit folgender Zusammensetzung in Gewichtsprozent:
Silicium 14% bis 16%
Kupfer 1,9% bis 2,2%
Nickel 1,0% bis 1,4%
Magnesium 0,4% bis 0,55%
Eisen 0,6% bis 1,0%
Mangan 0,3% bis 0,6%
Silicium-Modifiziermittel 0,02% bis 0,1%
wobei es sich bei dem Rest um Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen handelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze während des Preßformvorgangs unter anhaltenden Temperatur- und Druckverhältnissen in der Weise erstarrt, daß die Wachstumrate R der festen Phase während der Erstarrung zwischen 1.000 und 2.500 µ/s beträgt und der Temperaturgradient G an der Grenzfläche zwischen der festen und flüssigen Phase - ausgedrükt in ºC/cm - dergestalt ist, daß das Verhältnis G/R zwischen 100 und 1.000 ºCs/cm² beträgt, um einen erstarrten Gegenstand in geformten Zustand mit einem im wesentlichen eutektischen Feingefüge zu schaffen, das nicht mehr als 10% Alpha-Hüttenaluminium-Dendriten enthält und im wesentlichen frei von intermetallischen Teilchen ist, deren Durchmesser 10µ übersteigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen weiteren Verfahrensschritt, der darin besteht, daß der Gegenstand in geformtem Zustand einer vollständigen Wärmebehandlung unterzogen wird, wobei es sich um Lösungsgluhen handelt und der Gegenstand erwärmt und auf einer ersten Temperatur gehalten, in Wasser abgeschreckt, wiedererwärmt und auf einer zweiten Temperatur gehalten wird, die niedriger ist als die erste Temperatur.
3. Verfahren nach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht des Silicium-Modifiziermittels in der Schmelze zwischen 0,02% und 0,08% beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Silicium-Modifiziermittel in der Schmelze um Strontium handelt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem genannten Gegenstand um eine Zylinderlaufbüchse für einen Verbrennungsmotor handelt.
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