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A.Iunüniumlegierung Die Erfindung bezieht sich auf Aluminiumlegierungen
von verhältnismäßig geringer Wärmedehnung und guten mechanischen und physikalischen
Eigenschaften.
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Die Bedeutung von Aluminiumlegierungen mit geringer Wärmedehnung,
die ferner die für die industrielle Benutzung erforderlichen mechanischen und physikalischen
Eigenschaften besitzen, hat durch die fortgesetzte und weitere Entwicklung in der
Benutzung dieser Legierungen für Kolben und ähnliche Motorteile zugenommen. Aluminium
hat eine verhältnismäßig höhere Wärmedehnung als die anderen Metalle, unter Ausnahme
von Magnesium, die für die Konstruktion von Motoren und ähnliche Zwecke verwendet
werden. Da nun der Betrieb bei einer erhöhten Temperatur eine Ausdehnung der Motorteile
zur Folge hat, so ist es wesentlich, daß die Ausdehnung eines beliebigen Teils mindestens
dem Grade nach gleich der Ausdehnung anderer Teile ist. Die Entwicklung einer Legierung
auf Aluminiumbasis mit einer zufriedenstellenden niedrigen Wärmeausdehnung ist dadurch
verzögert worden, daß eine niedrige Ausdehnung offenbar nur auf Kosten derjenigen
mechanischen und physikalischen Eigenschaften erreicht werden konnte, die die Aluminiumlegierung
für die Verwendung als Kolben geeignet machen. Ein Kolben muß bekanntlich die physikalischen
Eigenschaften einer angemessenen hohen Härte und eines angemessenen Grades von Festigkeit
besitzen. Ferner muß die für die Herstellung verwendbare Legierung eine leichte
Bearbeitbarkeit aufweisen, da die Bearbeitung ein notwendiger Arbeitsgang bei der
Fertigstellung auf Maß eines gegossenen Kolbens ist. Zur Zeit ist eine Aluminiumlegierung
mit einer hochwertigen Kombination der Härte-, Festigkeit- und Bearbeitungseigenschaften,
die ferner eine geringe Wärmedehnung besitzt, noch nicht entwickelt worden.
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Den Gegenstand der Erfindung bildet eine Legierung auf Aluminiumbasis
mit verhältnismäßig geringer Wärmeausdehnung, die außerdem eine verhältnismäßig
günstige Kombination an Härte, Festigkeit und Bearbeitungsfähigkeit im Vergleich
zu den Eigenschaften besitzt, die bisher nur bei derartigen Legierungen mit verhältnismäßig
höherer Wärmeausdehnung sich gezeigt haben; ferner bildet den Gegenstand der Erfindung
ein aus einer derartigen Legierung hergestellter Kolben.
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Legierungen auf Aluminiumbasis, in denen Silicium den vorwiegenden
Legierungsbestandteil bei einem Gehalt von ungefähr 3 bis 15 °/o bildet, werden
in der Regel als
die einzigen Legierungen angesehen, die eine geringe
Wärmeausdehnung mit guten mechanischen Eigenschaften verbinden. Es werden indessen
andere Legierungen ungeachtet ihi@ nachteiligen verhältnismäßig hohen Wärre@ ausdehnung
in ausgedehnterem Maße zur @Ie irfe' stellung von Kolben benützt, da die Alumi-"
nium-Silicium-Legierungen unter anderen Eigenschaften nicht die gewünschte Härte
besitzen. Ferner kann den binären Aluminium-Silicium-Legierungen auch durch eine
Wärmebehandlung nicht die Härte gegeben werden, die in der Regel für Kolben in Aluminiumlegierungen
erforderlich ist.
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Es ist eine Legierung auf Aluminiumbasis gefunden worden, in der das
Silicium den vorwiegenden Legierungsbestandteil bildet, und die eine geringe Wärmeausdehnung
gleichzeitig mit mechanischen Eigenschaften und einer Bearbeitungsfähigkeit besitzt,
die den Vergleich zu anderen derartigen Legierungen mit einer verhältnismäßig hohen
Wärmeausdehneng aushalten. Gemäß der Erfindung wird diese Kombination von Eigenschaften
durch den Zusatz von geeigneten Mengen der Legierungsbestandteile Nickel, Magnesium
und Kupfer zu denAlüminiüm-Silicium-Legierungen erreicht. Diese Aluminiumlegierung
verbindet die niedrige Wärmeausdehnung der binären Aluminium-Silicium-Legierungen
mit einer hohen Härte und guten Bearbeitbarkeit. Die in der Legierung enthaltenen
Legierungsbestandteile wechseln innerhalb verhältnismäßig geringer Grenzen, um verschiedene
Bedingungen zu erfüllen, unter denen die Aluminiumlegierungen mit geringer Wärmeausdehnung
benutzt werden können.
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Die Grenzen, innerhalb deren die hinzugesetzten Bestandteile sich
ändern können, hängen in erheblichem Grade von der gewünschten Kombination von Eigenschaften
ab, und zwar sind solche Legierungen von praktischer Bedeutung, bei denen die Gehaltsgrenzen
für Silicium zwischen 7 und 25 0J0, für Magnesium zwischen o,2- und 3 %, für Nickel
zwischen o,5 und weniger als 6,5 010 und für Kupfer zwischen 0,3 und 2 0/0
liegen. Der Aluminiumgehalt ist in der Regel nicht unter 8o 0/0. Der Siliciumgehalt
liegt allgemein zwischen io und 15 0/0, wenn die Legierung eine geringe Wärmeausdehnung
besitzt. Weniger als ro 0/0 Silicium können unter gewissen Bedingungen hinzugefügt
werden, jedoch muß dabei eine Erhöhung der Wärmeausdehnung in Kauf genommen werden.
In ähnlicher Weise kann ein hoher Siliciumgehalt, auch beispielsweise
25 0r0, vorhanden sein, wenn die Bearbeitungsfähigkeit nicht in erster Reihe
in Betracht kommt. Es hat sich gezeigt, daß Siliciumgehalte zwischen etwa 1o und
15 % in der Regel eine für die wirtschaftliche Praxis äußerst geeignete Legierung
ergeben. Wenn man aber die Anforderung auf zu.te Bearbeitbarkeit außer acht lassen
oder ä@pezialwerkzeuge verwenden kann, die die BeiWbeitüng von mit den üblichen
Stahlwerk-Kgügen in wirtschaftlicher Weise nicht bearg''#l'eitbaren Legierungen
ermöglichen, so können Legierungen mit einem Gehalt bis etwa Silicium verwendet
werden.
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Der Gehalt an Magnesium, der der Legierung zugesetzt wird, hängt ebenfalls
von den gewünschten Eigenschaften ab. Die Anwesenheit von Magnesium erhöht die durch
eine Wärmebehandlung erreichbare Härte: Es hat sich ferner gezeigt, daß die Bearbeitbärkeit
der Legierung durch Magnesium ebenfalls verbessert wird. Größere Mengen indessen
als i bis 1;5 °(o Magnesium erhöhen im allgemeinen diese Eigenschaften nicht über
die mit geringeren Mengen erhaltenen, während die Sprödigkeit der Legierung durch
höhere Gehalte an Magnesium vergrößert wird. Vorzugsweise wird o,2 bis i
% Magnesium zugesetzt; dieser Gehalt ergibt in der Regel die besten Erfolge.
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Der Zusatz an Nickel zu der Legierung kann innerhalb eines verhältnismäßig
weiten Bereiches schwanken. Es hat sich gezeigt, daß Nickel die Bearbeitbarkeit
der Legierung verbessert und auch die Wärmeausdehnung verringert sowie die Anfangshärte
erhöht. Für gewisse Zwecke kann Nickel in Mengen von weniger als 6,5 0j0 bis herunter
zu o,5 °i0 zugesetzt werden.. Dabei hat sich gezeigt, daß bei z bis 5 0jo die günstigsten
Ergebnisse gezeitigt werden. Höhere Gehalte an Nickel verbessern zwar die Bearbeitbarkeit
und setzen ferner die Wärmeausdehnung herab, haben aber die Neigung, die Legierung
spröde zu machen. Wenn Festigkeit wesentlich ist; ist ein höherer Gehalt als 4.
bis 5 0i, nicht erwünscht. Andererseits wird bei geringeren Nickelgehalten als .2
0(o die vorteilhafte Wirkung abgeschwächt.
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Aluminiumlegierungen, die Silicium, Magnesium und Nickel als zugesetzte
Legierungsbestandteile enthalten, besitzen zwar gegenüber den bekannten Legierungen
mit geringer Wärmeausdehnung wesentlich überlegene Eigenschaften. Es hat sich aber
gezeigt, daß diese Legierungen durch den Zusatz von Kupfer noch erheblich verbessert
werden können. Große Kupfergehalte vergrößern die Schwierigkeit der Bearbeitung
wesentlich, beispielsweise den Verschleiß an Werkzeugen, aus diesem Grunde sind
sie im allgemeinen unerwünscht. Indessen wird die Anfangshärte und die Härte der
wärmebehandelten Legierung wesentlich bis zu einem unerwarteten Grade durch den
Zusatz einer geringen Kupfermenge erhöht. Unter gleichen
Wärmebehandlungen
hat beispielsweise eine Legierung mit einem Gehalt von 1q.0/" Silicium, ungefähr
2% Nickel und i1/0 Magnesium eine niedrige Brinellhärte von etwa 85 kg/mm°, während
eine Legierung mit den' gleichen Gehalten an Silicium, Nickel und Magnesium, bei
einem gleichzeitigen geringen Gehalt an Kupfer unter ähnlichen Bedingungen eine
um 15 bis 25 kg/mm' höhere Brinellhärte als die obenerwähnte besitzt. Eine derartig
erhöhte Härte ist sehr erwünscht, da man sie ohne wesentliche Erhöhung der Sprödigkeit,
der Bearbeitungsschwierigkeiten und der Wärmeausdehnung erreichen kann. Es sind
zwar bereits Legierungen des Aluminiums mit Silicium-, Magnesium-, Nickel-und Kupferzusätzen
bekannt. Bei diesen Legierungen betrug jedoch der Kupfergehalt etwa 4,5'/,. Ein
derartig hoher Kupfergehalt setzt aber bereits den Schmelzpunkt der Legierung nicht
unwesentlich herab, so daß auch die Glühtemperatur bei der Wärmebehandlung herabgesetzt
werden muß. So kann man z. B. eine Legierung des Aluminiums mit 14.% Si, il/,Mg,
2% Ni und 20/,Cu bei Temperaturen von 52o° glühen, abschrecken und anlassen und
erreicht hierdurch eine Festigkeitssteigerung auf 3q.lcg/mm°-. Setzt man der gleichen
Legierung d.,50/0 Kupfer zu, ohne die übrigen Gehalte zu verändern, so zeigen sich
bei Glühtemperaturen von 52o° bereits Anzeichen einer Schmelzung, so daß man gezwungen
ist, als maximale Glühtemperatur 51o° zu wählen. Behandelt man nun diese Legierung,
die einen Kupfergehalt vor' 4,5'/, hat, durch Glühen bei 51o°, Abschrecken und Altern,
so steigt die Festigkeit des höheren Kupfergehalts nur auf 30 kg/rnm°.
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Hieraus ergibt sich, daß eine Verringerung des Kupfergehaltes nicht
etwa eine Einbuße hinsichtlich der Festigkeit mit sich bringt, wie man erwarten
könnte, sondern auf Grund der höher liegenden Glühtemperaturen im Endeffekt bessere
Ergebnisse erzielen läßt.
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Eine Aluminiumlegierung, die, wie sich gezeigt hat, insbesondere den
Anforderungen für Kolben entspricht, enthält etwa 1d.0/0 Silicium, 2% Nickel, 1%
Magnesium und o,7,51/, Kupfer. Andere Legierungsbestandteile, beispielsweise Eisen,
das sich in der Regel als Verunreinigung in siliciumreichen Legierungen findet,
können in Mengen anwesend sein; wie sie üblicherweise in hochwertigen Barren sich
finden, ohne die wesentlichen Eigenschaften der Legierung erheblich zu beeinflussen.
In der Regel ist es erwünscht, ein hochwertiges im Handel erhältliches Aluminium
zur Herstellung der Legierung zu verwenden. Indessen können Aluminium-Barren von
geringerer Reinheit verwendet werden, wie auch Aluminium von äußerst hoher Reinheit.
Das Fehlen oder Vorhandensein von Verunreinigungen, die sich gewöhnlich in hochwertigem
Handelsaluminium finden, hat augenscheinlich keine erhebliche Änderungen in den
wesentlichen Eigenschaften zur Folge.
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Der Wärmeausdehnungskoeffizient der bevorzugten Legierung ist ungefähr
i9Xio-v, pro Grad C Temperaturunterschied zwischen 2o und ioo° C. Im Vergleich dazu
ist der Ausdehnungskoeffizient einer Aluminiumlegierung mit einem Gehalt von ungefähr
io0/0 Kupfer 22X io-6 oder annähernd 1501, höher als der Legierung gemäß
der Erfindung. In der Tat hat die neue Legierung eine erheblich niedrigere Wärmeausdehnung
als irgendeine bekannte Aluminiumlegierung mit ähnlichen mechanischen Eigenschaften
und Bearbeitungseigenschaften.
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Eine Aluminiumlegierung mit einem Gehalt von 14 % Silicium, 2 % Nickel,
1 % Magnesium und 0,751/, Kupfer hat in gegossenem Zustande eine Brinellhärte von
ungefähr 85 kg/mm'. Diese Härte kann durch Wärmebehandlung auf ungefähr 125 bis
130 lcg/mm° gesteigert werden, d. i. im wesentlichen eine gleiche oder noch größere
Härte als die der Aluminiumlegierung mit hoher Wärmedehnung. Eine Probe der letzterwähnten
Legierung wurde beispielsweise während zwei Stunden bei 53o° C einer Glühbehandlung
unterworfen, hierauf schnell auf Zimmertemperatur abgekühlt und alsdann durch Wiedererwärmung
auf eine Temperatur zwischen 125 und i5o° C während einer Dauer von ungefähr 25
Stunden gealtert. Hiernach hatte die Legierung eine Brinellhärte von 129 kg/mm'.
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Die Aluminiumlegierung mit einem Gehalt an Silicium, Nickel, Magnesium
und Kupfer gemäß der Erfindung hat zahlreiche wesentliche Vorteile gegenüber den
bisher zur Herstellung von Kolben und ähnlichen Teilen benutzten - Aluminiumlegierungen.
Sie besitzt eine niedrige Wärmeausdehnung in Verbindung mit einer Härte, wie sie
für Kolben und ähnliche Teile erwünscht ist. Sie kann ferner in wirtschaftlicher
Weise bearbeitet werden, so daß einer der Hauptnachteile der bisher üblichen Aluminium
- Silicium- und Alumiminium-Kupfer-Silicium-Legierungen wegfällt, wenn eine niedrige
Wärmeausdehnung und hohe Härte verlangt werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung
besteht darin, daß die Legierung wesentlich (bei der bevorzugten Zusammensetzung
um etwa io%) leichter ist als die io%ige Kupferlegierung, die meist für Kolben benutzt
wird.
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Im vorstehenden ist der Zusatz von anderen Legierungselementen als
Silicium, Nickel, Magnesium und Kupfer erwähnt worden. Es
ist bisweilen
erforderlich, gewisse Mengen anderer Legierungsbestandteile zuzusetzen, um die Eigenschaften
der Legierung abzuändern und sie insbesondere für andere Ge-. genstände als Kolben
und ähnliche Teile geeignet zu machen. Beispielsweise können .Mangan bis etwa 1
°/o, Chrom bis etwa 0,5/o bzw: Titan bis o,5 % zur Hervorbringung gewisser
Spezialeigenschaften zugesetzt werden; die außer den bereits der Legierung eigentümlichen
verlangt werden.
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Es hat sich zwar gezeigt, daß die Legierungen infolge ihrer Natur
und ihrer Zusammensetzung am meisten für Kolben, Zylinderköpfe und ähnliche gegossene
Gegenstände verwendet werden. Es finden sich aber innerhalb der angegebenen Grenzen
der Zusammensetzung Legierungen, die schmiedbar sind oder in ähnlicher Weise zu
Teilen, beispielsweise zu Verbindungsstangen, bearbeitet