DE2709844C2

DE2709844C2 - Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus AlSi-Legierungen durch Fließ- oder Strangpressen von Granulat und dessen Anwendung

Info

Publication number: DE2709844C2
Application number: DE2709844A
Authority: DE
Inventors: Jean-Louis Maisons Laffitte Mazodier; Rene Voreppe Perrot
Original assignee: Societe de Vente de lAluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 1976-03-10
Filing date: 1977-03-07
Publication date: 1983-12-22
Also published as: IT1092704B; JPS5727161B2; FR2343895B1; SE7702614L; GB1533100A; DE2709844A1; JPS52109415A; US4099314A; FR2343895A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Ve-fahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus siliciumhaltigen Aluminiumlegierungen, die verbesserte Eigenschaften vor allem hinsichtlich der Reibungseigenschaften aufweisen gegenüber Hohlkörpern, die aus diesen Legierungen nach dem Stand er Technik hergestellt wurden. Diese Hohlkörper sind beispielsweise Laufbuchsen für Verbrennungsmotor-Zylinder, Wagenheberkörper und allgemein alle Hohlkörper nut fixom.cl. 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 — wie Zylinder-Laufbuchsen aus Gußeisen durch Schleuderguß und Aluminiumlegierungen durch Druckguß — oder durch Fließpressen — wie Pumpenkörper aus einer Aluminiumlegierung aus gegossenen oder aus Halbzeug geschnittenen Butzen.

Werden Aluminiumlegierungen zur Herstellung derartiger Hohlkörper verwendet und handelt es sich insbesondere um Laufbuchsen für Verbrennungsmotoren, so ist es üblich, daß man siliciumhaltige Legierungen und vor allem übereutektische Legierungen verwendet, d. h. Aluminiumlegierungen mit einem mittleren Siliciumgehalt >I2%. Diese Art von Legierungen ist aus zwei Hauptgründen für derartige Anwendungen besonders geeignet:

1) Die übereutektischen AlSi-Legierungen weisen einen geringeren Dehnungskoeffizienten als andere Aluminiumlegierungen auf; 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 vor. 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 Aufnahme von Schmier- und Gleitmitteln günstig

sind.

Diese eutektische Zusammensetzung ist jedoch nicht streng; aufgrund von Abweichungen vom Gleichgewichtszustand sind stets auch Primärkristalle von Silicium in den Legierungen nahe dem Eutektikum, beispielsweise in den Legierungen A-Sl 3 oder A-S12UN und selbst in Legierungen mit übereutektischer Zusammensetzung wie A-Sl OUG.

ίο Eine große Schwierigkeit bei der Hersteilung von Werkstücken aus Legierungen mit hohem Siliciumgehalt oder übereutektischem Gefüge liegt darin, daß die Silicium-Primärkristalle nicht zu groß sein dürfen. Die zulässige Maximalgröße beträgt im allgemeinen 100 μητ.

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

Im Buch »Aluminium und Aluminiumlegierungen«, von D. Altenpohl, 1965, S. 819 und 820, geht es um die Herstellung von Aluminiumsinterwerkstoffen mit fein verteilten Oxiden, wobei die besonders hohe Festigkeit des Materials diesem Oxidgehalt zugeschrieben wird. Der nominelle AbOj-Gehalt soll zwischen 6 und 14% liegen. Aus der DE-OS 24 18 389 sind Aluminium-Silicium-Legierungen für die Arbeitsfläche von Zylinderblökken in Verbrennungskraftmaschinen bekannt, die jedoch keine Primär-SiHciumkristalle enthalten. Die Auswahl der hierfür angewandten Legierungen erfolgte im Hinblick auf deren Gießfähigkeit Durch Steuerung der Erstarrungsbedingungen soll die Bildung von großen winkligen Idiomorphen aus Primär-Silicium verhindert und an deren Stelle vollständig abgewandelte kleine faserige oder kugelförmige Teilchen aus eutektischem Silicium erzeugt werden. Es wird eine MikroStruktur angestrebt, welche sich durch einen außergewöhnlich hohen Volurr.enanteil an feinteiligem Silicium in Abwesenheit jegliche,· Primär-Phasen aus Aluminium oder Silicium auszeichnet.

Aufgabe der Erfindung ist die Herstellung von Hohlkörpern verbesserten Reibungsverhaltens und einer gleichmäßigen Porosität, die sich durch gute Bearbeitbarkeit und hohe Oberflächengüte nach dem Bearbeiten bei gleichzeitig geringem Werkzeugverschleiß auszeichnen sollen.

Ausgehend von einem Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern mit verbessertem Reibungsverfahren und

so guter Verarbeitbarkeit aus AlSi-Legierungen mit 15 bis 20% Si und primären Siliciumkristallen durch Strangpressen oder Fließpressen, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Legierungsschme'-ze auf eine Teilchengröße von 5 bis 2000 μπι granuliert und das Granulat fließ- oder stranggepreßt wird. Bevorzugt wendet man eine Legierung an, die neben Aluminium und Silicium in obiger Menge 1 bis 5% Kupfer, 03 bis 13% Magnesium und gegebenenfalls 03 bis 13% Nickel als Legierungselemente enthält. Gewisse Vorteile bietet auch die Anwendung eines Gemische von obigem Granulat mit Siliciumcarbid, Zinn oder Graphit für das Fließ- oder Strangpressen.

Die erfindungsgemäß erhaltenen Hohlkörper zeichnen sich nicht durch einen bemerkenswert geringen Reibungskoeffizienten und eine sehr feine gleichmäßig verteilte Porosität aus, sondern auch durch eine hohe Plastizität, also einen beträchtlichen Abstand zwischen der Streckgrenze und dem Bruch bei beträchtlicher

Dehnung, so daß die Bearbeitung der erhaltenen Hohlkörper keine Schwierigkeiten bereitet, mit einem geringen Werkzeugverschleiß verbunden ist und die Oberflächengüte der bearbeiteten Körper bemerkenswert gut ist

Die erfindungsgemäß hergestellten Hohlkörper weisen primär ausgeschiedenes Silicium in einer Teilchengröße <20μπι auf, während diese bei bekannten Verfahren >20μηι ist; ihre Porosität ist gering und nicht auf bestimmte Bereiche konzentriert, die dann eine Schwachstelle darstellen oder für fließfähige Medien keine ausreichende Dichtigkeit unter Druck haben, wie dies manchmal bei durch Druckguß erzeugten Formkörpern der Fail 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 gegenüber Erzeugnissen analoger Zusammensetzung, die jedoch in bekannter Weise hergestjllt worden sind.

Die Erfindung besteht - wie oben ausgeführt darin, daß man ein Granulat aus der Aluminiumlegierung zu Hohlkörpern strang- oder fließpreßt und diese Hohlkörper dann nachbehandelt. Der vollständige Fertigungsgang für Hohlkörper ist somit:

a) Herstellung einer Al-Legierung enthaltend 15 bis 20% Si und z. B. 1 bis 5% Cu₁ 0,5 bis 1.5% Mg und gegebenenfalls 0,5 bis 14% Ni, je nach vorgesehener Verwendung;

b) Einschmelzen der gegebenenfalls daraus hergestellten Blöcke und

c) Granulieren der Schmelze auf übliche Art (wie Abschleudern, Zerstäuben. Drehelektrode ...}. Die Größenverteilung liegt im allgemeinen im Bereich von 5 bis 2000 μπι. Je nach herstellungsweise wird die Größenverteilung gröber oder feiner sein; ist die Abkühlgeschwindigkeit größer oder geringer, so erhält man kleinere bzw. größere Siliciunnteilchen. Bei einem durch Abschleudern erhaltenen Granulat von 300 bis 2000 μπι beträgt die Größe der Siliciumteilchen 2 bis 20 μπι. Für durch Zerstäuben erhaltenes Granulai von < 100 μπι liegt die Silicium-Teilchengröße <5μπι;

d) gegebenenfalls Mischen des Granulats mit einem Granulat aus Siliciumcarbid, Zinn oder Graphit;

e) gegebenenfalls isoatatisches oder mechanisches Pressen des(r) Granulats(e);

f) gegebenenfalls Vorwärmen des gegebenenfalls vorverdichteten Granulats auf Fließtemperatur;

g) Einbringen des Granulats in den Aufnehmer der Fließ- bzw. Strangpresse;

h) Fließ- oder Strangpressen von Rohren, die sich für Laufbuchsen oder Gehäuse eignen; dies ist ein üblicher Vorgang 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;

i) gegebenenfalls Richten und/oder Kalibrieren;

j) gegebenenfalls Wärmebehandlung zur Stabilisierung;

k) Ablängen und Bearbeiten.

Durch Zumischen von Siliciumcarbid, Zinn oder Graphit zur Al-Legierung wird besondere Härte (Siliciumcarbid) oder besonderes Reibungsverhallen (Zinn oder Graphit) erreicht Durch kaltes oder warmes Verdichten des Granulats - gegebenenfalls unter Vakuum — wird die Porosität im Formkörper verringert

Die erfindungsgemäßen Hohlkörper zeichnen sich durch eine Reihe von bemerkenswerten Eigenschaften aus; so ist vor allem ihr Reibungsverhalten deutlich

ίο verbessert gegenüber den nach dem Stand der Technik hergestellten Produkten. Diese Verbesserung beruht wohl auf dem besonders feinen Gefüge, in dem die Teilchengröße der Primärkristalle von Silicium <20 μπι ist und maximal 5 μΐη betragen kann, während nach den üblichen Gießverfahren (wie Druckgießen oder Gießen unter vermindertem Druck) die Teilchengröße 20 bis 80 μΐη beträgt

Fig. 1 zeigt eine Mikrophotographie (200X) des Gefüges eines Hohlkörpers aus der Legierung A-S17U4G (enthaltend etwa 17% S> 4% Cu und 03% Mg), der durch Fließpressen eines Granulats hergestellt worden ist. Die meisten Siliciumkriscalle (schwarz) weisen eine Teilchengröße <20 μπι auf.

Fig.2 zeigt eine Mikrophotographie (200 X) des Gefüges eines Hohlkörpers, äer aus der gleichen Legierung wie üblich unter vermindertem Druck gegossen wurde. Die unterschiedliche Kristallgröße in den 2 Mikrophotographien 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 in üblicher Weise gegossenen Produkten ist die Porosität ungleichmäßig verteilt und kann örtlich sehr beträchtlich sein.

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

D^:.e erfindungsgemäß hergestellten Hohlkörper zeichnen sirh weiterhin durch ein ganz ausgezeichnetes Verhalten beim Bearbeiten aus, das deutlich besser ist als dasjenige von nach bekannten Verfahren r;ergest.ellten Körpern aus Legierungen analoger Zusammensetzung. Dies zeigt sich in einer ausgezeichneten Spanbildung, einer hervorragenden Oberflächengüte und einem sehr geringen Werkzeugverschleiß. Dieses gute Verhalten beruht auf dem Fehlen von großen Si-Primärkristallen, die bekanntlich die Bearbeitung sehr erschweren.

Von weiterer Bedeutung ist — wie schon erwähnt — die sehr feine und sehr gute verteilte Porosität. Es treten nämlich auch 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 Hohlkörper durch eine höhere Plastizität aus (Abstand von der Streckgrenze zur Bruchfestigkeit 1500 N/cm² bei Dehnung 5%) als die durch Guß erzeugten Produkte, die praktisch überhaupt keine Plastizität aufweisen (Abstand in der Größenordnung von nur 500 N,cm² bei einer Dehnung < 1 %).

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die erfindungsgemäß hergestellten Hohlkörpersich in metallurgischer Hinsicht durch eine Si-Primärkristallteilchengröße

<20μπΊ, 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 bei 100 bis 15 000 ppm.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine erhebliche Vereinfachung gegenüber üblichen Verfahren der Herstellung von Hohlkörpern, indem man durch Strang- oder Fließpressen fast die Endmaße und eine gute Oberfläche erreicht, während in üblicher Weise gegossene Körper einer beträchtlichen Nacharbeit bedürfen. Auch sind die erfindungsgemäß erhaltenen Hohlkörper leichter bearbeitbar als solche, die durch Fließpressen oder Druckgießen erhalten wurden; dies ermöglicht erhebliche Einsparungen bei der Bearbeitung und einen geringeren Werkzeugverschleiß.

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 I

Es wurden Laufbuchsen für Verhrennungsmotoren wie folgt hergestellt:

a) Herstellung einer Legierung A-S17U4G der Zusammensetzung:

Si = lb.80%

Cu = 4.40%

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 bis 2000 μπι; feines Gefüge: Si-Primärkristalle in der Größe von 2 bis maximal 20 μιη.

c) Strangpressen von Rohrstücken für Laufbuchsen 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 450°C erwärmt. Um zu verhindern, daß das Granulat vorzeitig in die Strangpresse gelangt, wurde vor dieses eine Aluminiumfolie eingelegt: der auf den Stempel ausgeübte Druck wurde bis zum Fließen des Metalls erhöht. Beim Fließen wird die Oxidhaut auf dem Granulat aufgebrochen und dadurch können die stets frischen oxidfreien Flächen leicht verschweißen:

d) Abrichten des Rohrstücks in üblicher Weise:

30

Ablängen des Rohrstücks für die Laufbuchsen;
Wärmebehandlung /ur Stabilisierung während einiger Stunden bei 220 bb 250⁰C (d. h. über der Arbeitstemperatur):

Bearbeiten auf Maß.

35 Die auf diese Weise erhaltenen Laufbuchsen zeichneten sich durch ein sehr feines Gefüge, wie es in F i g. 1 gezeigt ist, aus. Die mechanischen Eigenschaften wurden im Zugversuch ermittelt und zwar an Prüfkörpern, die in der (P)bzw. quer zur Strangpreßrichtung (Q) entnommen wurden; zum Vergleich dienten Prüfkörper aus druckgegossenen Legierungen bzw. von Gußeisen.

Richtung der Probenahme ob
[N/cm²]

5,65 ■

A-S17U4G erfindunj;sgemäß

A-S'7U4G Druckguß
Gußeisen

längs quer 26 600
25 200
29 000
200-40 000

5,0

3,7

Die Dehnung wurde auf 5.65 · y So bezogen, wobei So den Querschnitt des Prüfkörpers bedeutet

Der Vergleich zeigt, daß bei einer Bruchlast in etwa der des Druckgußkörpers und des Gußeisens das erfindungsgemäß erhaltene Produkt eine größere Dehnung und damit geringere Sprödigkeit aufweist

Zur Bewertung des Reibungsverhaltens wurden zwei sich gemäß Fig.3 berührende Scheiben (rechts Aufriß und links Seitenansicht) angewandt Die Scheiben waren gedreht so daß ein reines Gleiten von 10% (Winkelgeschwindigkeit) stattfindet. An der Berührungsfläche wird Öl mit konstanter Temperatur aufgebracht und im Verlauf des Versuches a) die auf die obere Scheibe ausgeübte Kraft P. b) die Berührungstemperatur und c) das Reibungsmoment gemessen. Die Scheiben waren mm dick. Innendurchmesser 16 mm. Die untere Scheibe bestand aus A-S 12UN, hatte einen Außendurchmesser von 65 mm und dieme zum Vergleich (1), die obere erfindungsgemäße Scheibe hatte einen Außendurchmesser von 35 mm (2).

Die Reibungsversuche liegen in zwei Teilen ab, um ein Fressen und den Verschleiß zu ermitteln:

1) Fressen

Nach einer gewissen Einlaufzeit unter einer relativ geringen Last bei 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
Fressens ausgeübte Last ist die Freßlast.

2) Verschleiß

des Nach dem Einlaufen wurde die 0,5 bis 0,8fache

Freßlast 2 bis 5 h eingehalten und die Gewichtsverluste der beiden Prüfkörper gemessen.

Freßlast	Reibungs	Verschleiß [mg]	Scheibe aus
daN	koeffizient		S17U4G bzw.
	bei P = 20 daN	Scheibe aus	Gußeisen
		A-S21UN

A-S17U4G erfindungsgemäß
A-S17U4G Druckguß

A-S17U4G

unter niederem Druck gegossen

Gußeisen

90 80 30

80

20

25

Dieser Versuch zeigt, daß der erfindungsgemäb aus Legierung A-SI7U4G hergestellte Prüfkörper hinsichtlich Freßlast, Reibungskoeffizient und Verschleiß a)dcm Druckguß-Prüfkörper entspricht, jedoch b) eine deutliche Verbesserung gegenüber einem unter niederem Druck gegossenen Körper mit seiner wesentlich geringeren Freßlast und einem wesentlich höheren Reibungskoeffizienten hat und c) gegenüber Gußeisen, das bei gleicher Freßlast einen ganz beträchtlich höheren Reibungskoeffizienten und größeren Verschleiß zeigt.

Beispiel 2

Es wurden Laufbuchsen für Verbrennungsmotoren wie folgt hergestellt:

a) Erschmelzen einer Legierung A-S25U4G aus 25% Si, 4.3% Cu, 0,65% Mg. 0,8% Fe und Rest Aluminium und Feinen des Primärsiliciums mit Phosphor in an sich bekannter Weise:

b) Granulieren:

Die Schmelze wurde 30 min auf etwa 90⁰C

30

0,015
0,015
0,045

0,109

67
52

2100

8
12

0,5

gehalten und dann zerstäubt, ι eiichengröBe 5 bis 500 μ in: verwendet wurde nur die Fraktion < 100 μm; das feine Gefüge hatte Si-Primärkristal-Ie < 5 μιτι:

c) Kaltpressen in einer vertikalen Presse unter einer Last von 1000 N/cm²:

d) Strangpressen von Rohrstücken für Laufbuchsen nach Beispiel I und zwar ohne Vorwärmen:

e) Abrichten in üblicher Weise:

f) Ablängen;

g) Wärmebehandlung zur Stabilisierung während einiger Stunden bei 220 bis 250⁰C oder Lösungsglühen, Abschrecken und Warmauslagern;

h) Bearbeiten.

Das Gefiige der Laufbuchsen war sehr fein, die Größe der Siliciumkristalle lag unter 5 μιτι. Nach der Wärmebehandlung war die Porosität sehr fein und gleichmäßig verteilt.

Richtung
der Probenahme

ob
N/cm²

D%
5,65 · VSo

A-S25U4G, erfindungsgemäß

Nach Lösungsglühen, Abschrecken, Warmauslagern

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 4 2,5

2 0,7

einer Legierung A-S17U4G gleich, die Verschleißfestigkeit hingegen war merklich verbessert, denn der ^rs Gewichtsverlust je Zeiteinheit war um den Faktor 1,5 vermindert.

längs	29 000
quer	28 000
längs	55 000
quer	52 000

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern mit verbessertem Reibungsverhalten und guter Verarbeitbarkeit aus AISi-Legierungen mit 15 bis 20% Si und primären Sib'ciumkristallen durch Strangpressen oder Fließpressen, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungsschmelze auf eine Teilchengröße von 5 bis 2000 um granuliert und das Granulat fließ- oder stranggepreßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Pressen zur Stabilisierung lösungsgeglüht, abgeschreckt und warmausgelagert wird.

3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 auf ein Granulat, das zusätzlich 1 bis 5% Kupfer, 03 bis 13% Magnesium und gegebenenfalls 03 bis 13% Nickel als Legierungselemente enthält.

4. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüdi« 1 bis 3 auf ein Gemisch von Granulat und Siliciumcarbid, Zinn oder Graphit.