DE1558772C - Verfahren zur Herstellung von Guß korpern aus Aluminium oder Aluminium legierungen mit verbesserter Ermudungs festigkeit - Google Patents

Description

3 4

mechanisch ziemlich hohe Drücke angewendet werden. daß die größte Abmessung diesen Wert nicht über-Zum Beispiel können Drücke von 14,0 bis 35,0 kp/mm² schreitet. Es wurde gefunden, daß bei wesentlicher oder selbst viel höhere Drücke bis zu 70 kp/mm² oder Beseitigung der Mikroporen in der Größenordnung mehr unter Verwendung herkömmlicher Pressen er- von 2,54 bis 25,4 μ. die Ermüdungsfestigkeit von Aluzeugt werden. 5 miniumgußmassen bedeutend erhöht wird. Erfindungs-

Da die isostatischen Drücke leicht durch Anwen- gemäß verbesserte Gußmassen, deren innere Struktur dung mechanischer Pressen erreicht werden, kann die auf die Anwendung von isostatischem Druck, wie beDauer der Ausübung oft verhältnismäßig kurz sein, schrieben, zurückgeht, sind im wesentlichen frei von ' z. B. 15 Sekunden, oder in einigen Fällen sogar Mikroporen einer Größe über 2,54 μ, wobei die innere weniger, obwohl es zur Sicherstellung beständig guter io Struktur anderweitig im wesentlichen die eines Gusses Ergebnisse ratsam ist, den Druck 15 Sekunden lang . ist, und zeigen eine merklich verbesserte .Ermüdungsoder mehr auszuüben. ' festigkeit von 25 oder mehr Prozent. Es wird ange-

Bei Anwendung isostatischen Fließdruckes kann die nommen, daß die Verbesserung in der Ermüdungs-Gußmasse in einer Kammer angeordnet werden, festigkeit auf die Beseitigung der Mikroporosität, wie welche auf einen dem gewünschten isostatischen Druck 15 beschrieben, zurückzuführen ist; demgemäß sollte die entsprechenden Druckspiegel gebracht worden ist, Dauer, während welcher die Temperatur und der isowährend die Gußmasse bei einer wie hier vorgesehenen statische Druck aufrechterhalten werden, ausreichend Temperatur gehalten wird. Wegen derzeitiger wirt- sein, um die Gußmasse im wesentlichen frei von derschaftlicher Grenzen sind die Autoklaven od. dgl., artiger Mikroporosität zu machen, welche zur gleichzeitigen Anwendung von Temperatur 20 Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Druck geeignet und groß genug sind, technische ist besonders nützlich für Aluminiumlegierungen mit Gußmassen zu fassen, häufig auf Druckspiegel von mittlerer bis hoher Festigkeit, die noch weiteren Ver-14 kp/mm² oder weniger beschränkt. Da diese Drücke fahrensschritten unterworfen werden,, z. B. wärmeim Zusammenhang mit dem verbesserten Verfahren * zubehandelnden Aluminiumgußlegierungen. Die Anverhältnismäßig niedrig sind, wird die Dauer der 25 wendung der Temperatur und des isostatischen Druk-Druckanwendung etwas über die zulässige bei höheren kes beeinflußt nicht das Verhalten der Gußmasse bei Drücken verlängert. - · einem Lösungsglühen. Lösungsglühung und Warm-

Gußmassen, welche gemäß dem Vorhergehenden aushärtung oder andere Wärmebehandlungen können bei aufrechterhaltener Temperatur und isostatischem ohne Verlust der durch die praktische Durchführung Druck behandelt werden, zeigen gegenüber ähnlichen, 30 der Erfindung erteilten Vorzüge vorgenommen werden, jedoch nicht so behandelten Gußmassen eine ver- . In der Tat kann die Gußmasse, da der angewendete besserte Ermüdungsfestigkeit. Die sowohl bei Sand- Temperaturbereich bei der Ausübung des isostatischen als auch bei. permanenten Formgußmassen beobach- . Druckes dem bei dem Lösungsglühen nahekommen tete Verbesserung liegt im allgemeinen bei mindestens kann, sofort nach der Behandlung unter isostatischen 25%, obwohl Verbesserungen von 50 bis 100 °/₀ oder 35 Druck so abgeschreckt werden, daß keine Ausmehr oft erreicht werden. Dies ist als die bedeutendste scheidung stattfindet. Eine Warmauslagerung kann . Änderung in den Eigenschaften gegenüber nichtbehan- dann folgen. Nach Behandlung unter isostatischem delten Gußmassen zu betrachten. Obwohl die Zug- Druck kann aber auch eine getrennte Wärmebehandeigenschaften bis zu einem gewissen Grad verbessert lung vorgenommen werden. Die Gußmasse kann in werden können, wird dies im Vergleich mit der ausge- 40 jedem Stadium vor oder nach der Anwendung des prägten Verbesserung bei der Ermüdungsfestigkeit als isostatischen Druckes maschinell bearbeitet werden, zufällig betrachtet. Zum Beispiel kann eine Rohsandgußmasse maschinell

Die verbesserten Gußmassen behalten die grund- bearbeitet, wie hier vorgeschlagen verbessert, wärmelegenden Vorzüge einer inneren Gußstruktur bei. behandelt und dann gegebenenfalls veredelt werden. Mikroaufnahmen vor und nach der Druckanwendung 45 Im folgenden werden veranschaulichende Beispiele zeigen, daß keine sichtbare Deformation der Körner der Erfindung gegeben, eintritt und die Gußmassen ihre charakteristische gegebene Korngröße, Form und Orientierung nach An- Beispiell wendung des isostatischen Druckes beibehalten. Die

isotropischen Eigenschaftskennzeichen einer inneren 50 Die Gußmasse eines völlig gußumkleideten Diesel-Gußstruktur, d. h. allgemeine gleichmäßige Bean- motorkolbens aus einer Aluminiumlegierung, welche spruchungs- und Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit den Angaben nach 4,5 °/₀ Kupfer, 1,5 °/o Magnesium und andere Eigenschaften, bleiben in allen Richtungen und 2°/₀ Nickel enthielt, wurde in einer Dauerform in ähnlicher Weise erhalten. . hergestellt. Die Kolbengußmasse maß etwa 13,97 cm - Ein bei metallographischer Untersuchung zu beob- 55 im Durchmesser und 16,51 cm in der Höhe. Eine achtender Unterschied der verbesserten Gußmassen Verschalung wurde konstruiert, die die Kolbengußbesteht jedoch darin, daß die Mikroporosität in ihrer masse so aufnehmen konnte, daß außer der oberen Gesamtheit im wesentlichen beseitigt ist. Es ist all- Außenfläche des Kolbenkopfes der Kolben eng im gemein festzustellen, daß Gußprodukte, aus Alumi- Innenraum anlag. Die Gußmasse wurde auf 454,5° C nium oder Aluminiumlegierung einen gewissen Grad 60 erhitzt und in der vorgeheizten Verschalung angeordan Mikroporosität zeigen, ungeachtet der Vorsorge, net. Eine glattflächige Ramme wurde in das obere welche zur Vermeidung derselben getroffen worden ist. Ende der Verschalung eingesetzt, so daß sie gegen Die verbesserten Gußmassen sind im wesentlichen voll- die ebene obere Außenfläche des Kolbenkopfes bekommen frei von Mikroporen einer Größe über 2,54 μ, wegt werden konnte. Die Ramme, welche den ganzen einer Größe, welche schnell bei 500facher Vergröße- 65 Kolbenkopf bedeckte, war sehr stark an den Verrung in Gußmassen, welche nicht gemäß der Erfindung schalungsraum angepaßt, so daß irgendein Metallbehandelt worden sind, erkennbar ist. Durch die austritt zwischen Ramme und der Verschalung auf Größe 2,54 μ soll zum Ausdruck gebracht werden, ein Mindestmaß beschränkt war. Die Ramme wurde

mittels einer hydraulischen Presse von 500 Tonnen in die Verschalung ¹I₂ Minute lang gedrückt und übte auf den Kolben einen Druck von über 32,9 kp/mm² aus. Dieser Druck war im wesentlichen isostatisch, da praktisch keine Metallbewegung eintrat. Da der Verschalungsraum und der Kolben eng aufeinander abgepaßt waren, war die Menge von am Kolbenkopf zu beobachtender austretender Masse praktisch Null. . Mikroaufnahmen bestätigten das Ausbleiben einer bedeutsamen Metallbewegung, wie auch keine erkennbare Kornzerstörung vorlag. Die Mikroaufnahmen ließen auch vollkommene Freiheit von Mikroporen einer Größe über 2,54 μ erkennen. Mehrere derartige Kolben wurden in Teile geschnitten, aus welchen rotierende Träger vom Typ R. R. Moore als Ermüdungsprobestücke maschinell gefertigt wurden. Der Ermüdungstest und die darauf abgestellten Probestücke sind in der Technik allgemein bekannt und in American Society for Testing Materials Special Technical Publication Nr. 91 »Manual en Fatigue Testing«, 1949, bexchrieben. Maschinell gefertigte Zugprobestücke wurden ebenfalls aus den Kolben hergestellt, ίο Die Ergebnisse der Zug- und Ermüdungstests sind mit

. gleichartigen Testen, welche mit Kolben im »Gußzustand« vorgenommen wurden, in Tabelle 1 verglichen worden. .

■ ■ .	Ermüdungsfestigkeit (kp/mma) 5 · 10" Umdrehungen	Tabelle 1	Streckfestigkeit (kg/cm1)	% Dehnung* Probenlänge 5,08 cm
Zustand	63,0 11,9	Zugfestigkeit (kp/mm2)	18,2 18,2	0,7 1,6
Im Gußzustand Verbessert	18,9 23,1

*) Definiert durch ASTM.

Es ist zu sehen, daß die Ermüdungsfestigkeit der verbesserten Gußmassen fast das doppelte derjenigen von nichtverbesserten Gußmassen betrug. Eine zufällige Zunahme der Zugeigenschaften ist ebenfalls offensichtlich.

Beispiel2

Die Gußmasse eines teilweise umkleideten Kolbens, welche einen gegossenen Ringeinsatz in der Nähe ihres oberen Umfanges besaß, wurde nach dem dargelegten Verfahren verbessert. Der bandartige Ringeinsatz war aus der allgemein bekannten Gußeisen-Nickel-Legierung Ni-Resist zusammengesetzt, die oft für diese Zwecke verwendet wird. Mit Ausnahme des Ringeinsatzes war die allgemeine Größe und Legierungszusammensetzung des Kolbens jener des vollkommen umkleideten Kolbens aus Beispiel 1 identisch. Eine Verschalung mit einem eng anliegenden Rammteil wie im Beispiel 1 wurde hergestellt. Jede Gußmasse wurde auf 454,5° C erhitzt, in die vorgeheizte Verschalung gesetzt und die Ramme in die Verschalung gegen den Kolbenkopf V₂ Minute lang mittels einer hydraulischen Presse von 700 Tonnen gepreßt, wodurch ein im wesentlichen isostatischer Druck von annähernd 37,8 kp/mm² ausgeübt wurde. Ermüdungsprobestücke wurden aus dem Kolbenbolzenbeschlag mehrerer so behandelter Kolben angefertigt. Die Ermüdungstests zeigten, daß der Teil aus Gußaluminiumlegierung der zusammengesetzten Kolbenkonstruktion in gleichem Ausmaß verbessert worden war, wie jener der vollkommen aus Aluminiumlegierung gemachten Kolben aus Beispiel 1. Dies ist eine besonders wichtige Ausführungsform der Erfindung, da eiserne Ringeinsätze häufig in technischen Aluminiumkolbcn enthalten sind, insbesondere bei schwerer Belastung. Vor dieser Erfindung wurde ein solcher Einsatz, metallurgisch fest gebunden, dadurch bewirkt, daß der Aluminiumkolben rund um den Einsatz gegossen wurde, aber solche Kolben waren durch eine verhältnismäßig niedrige Ermüdungsfestigkeit gekennzeichnet, insbesondere im entscheidenden Hereich des Kolbcnbol/cnbcschlags. Mehrere Schemata wurden zum Schmieden des Kolbens rund tun den lüiisal/. entwickelt, jedoch führt dies zu einer beträchtlich schlechteren Bindung gegenüber der metallurgischen Bindung, welche erreicht wird, wenn der Einsatz fest eingegossen wird. Ein weiteres Problem ergibt sich dadurch, daß der Schmiedevorgang häufig zu übermäßigen Beanspruchungen auf dem Ringteil führt, was bei späterer Inbetriebnahme zu Zerstörung, Bruch oder Verschlechterung und Ausfall führt. Die verbesserten Kolben behalten die Vorteile der fest eingegossenen Einsatzstruktur, während sie eine merklich verbesserte Ermüdungsfestigkeit zeigen, welche vordem nur mit geschmiedeten Kolben hervorgebracht wurde. .

Bei s ρ i e 1 3

Eine zylindrische Gußeisenform wurde verwendet, um 15,24 cm im Durchmesser große und 20,32 cm lange Gußmassen einer Aluminiumlegierung herzustellen, welche nach den Angaben 9% Silicium, 0,5% Magnesium und 1,8% Kupfer enthielt. Von diesen wurden tellerähnliche Stücke mit einem Durchmesser von 13,97 cm und 6,35 cm Länge herausgeschnitten und maschinell verarbeitet. Die Stücke wurden auf 426,5 bis 455° C erhitzt und in eine eng angepaßte vorgeheizte Verschalung gebracht. Ein Gewicht von 500 Tonnen wurde V₂ Minute mittels einer hydraulischen Presse auf den oberen Teil eines jeden Stückes gedruckt. Die Stücke wurden wieder auf 527° C erhitzt und 8 Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten und dann in Wasser bei 65,5°C abgeschreckt, dann folgte eine künstliche Alterung während 10 Stunden bei 155°C. Ermüdungsprobestücke des im Beispiel 1 beschriebenen Typs wurden aus diesen hergestellt, desgleichen aus Stücken, welche nicht der Druckanwendung unterworfen, jedoch anderweitig identisch waren. Die Ermüdungstests wurden in diesem Fall bei einer Beanspruchung von 14,0 kp/mm² durchgeführt und die Lebensdauer der Vcrgleichsprobestücke auf die Ermüdungsfestigkeit bei 5 · 10⁸ Umdrehungen extrapoliert. Die Zugeigenschaftcn wurden auch wieder verglichen. Die Ergebnisse dieser Tests sind in.Tabelle2 aufgeführt. Man sieht, daß die Probestücke eine Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von 33 % gegenüber dem »Gul.i-Malerial« zeigen.

Tabelle

Zustand	Logarithmusmittelwert Ermüdungsdauer bei 14,0 kp/mm2 (Umdrehungen)	Extrapolierte Ermüdungs festigkeit in kp/mm2 5 · 108 Umdrehungen	Zugfestigkeit kp/mm2	Dehngrenze kp/mm2	% Dehnung
VIs Guß	460 000 2 354 700	12,0 16,0	32,48 33,25	27,30 27,86	2,1 2,5
Aerbessert

Beispiel 4

Gußkolben derselben Größe und Zusammensetzung wie im Beispiel 1 wurden in einen Autoklav gesetzt und einem Heliumdruck von 10,50 kp/τητη^a bei einer Temperatur von etwa 483° C etwa 2 Stunden lang ausgesetzt. Die Ergebnisse des R. R. Moore-Ermüdungstests mit Probestücken, welche von den Kolbenbolzenbeschlägen dieser Kolben entfernt wurden, zeigten eine log mittlere Ermüdungslebensdauer von 1,5 · 10⁸ Umdrehungen bei einer Beanspruchung von 14,0 kp/mm², was extrapoliert eine Ermüdungsfestigkeit von 10,5 kp/mm² bei 5 · 10⁸ Umdrehungen anzeigt. Das heißt, nahezu die gleiche Verbesserung wurde erreicht wie bei mechanischer Druckanwendung nach Beispiel 1.

209532/108

Claims (4)

1 2 temperatur, einem isostatischen Druck von mindeste! Patentansprüche: 2,1 kp/mm2 ausgesetzt wird. Unter dem isostatischen Druck wird ein im wesen

1. Verfahren zur Herstellung von Gußkörpern liehen gleichmäßiger Druck von allen Seiten, anale aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen mit S dem hydrostatischen Druck auf einen in ruhende verbesserter Ermüdungsfestigkeit und einer Mikro- Flüssigkeit eingetauchten Körper verstanden. Wäh porengröße von nicht mehr als 2,54 Mikron, da- rend der Druck mindestens bei .2,1 kp/mm² liege durch gekennzeichnet, daß der Guß- sollte, wird vorzugsweise ein ' Druekbereich vo körper bei einer Temperatur von mindestens 315°C, 3,5 kp/mm³ und höher, z.B. 7,0 bis 70 kp/mm jedoch unterhalb der Schmelztemperatur, einem io benutzt. Geringfügig höhere Temperaturen als obe isostatischen Druck- von mindestens 2,1 kp/mm² genannt sind zulässig, obwohl die Temperatur nich ausgesetzt wird. so hoch liegen sollte, daß Schmelzen eintritt. De

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- bevorzugte Temperaturbereich liegt bei 371 bis 638°( zeichnet, daß der Gußkörper einem Druck von 7 Niedrigere Temperaturen werden vorzugsweise ver bis 70 kp/mm² bei einer Temperatur von 371 bis 15 -mieden, da eine beständige Verbesserung nicht ohn 638°C ausgesetzt wird. wesentliche Schwierigkeiten erreicht werden kann

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Aus dem Vorhergehenden ist zu ersehen, daß erfin zeichnet, daß ein Druck von 3,5 bis 14 kp/mm² dungsgemäß die Gußmasse Temperatur- und Druck hydrostatisch ausgeübt und mindestens eine Stunde bereichen ausgesetzt wird, welche normalerweise an aufrechterhalten wird. 20 gewendet werden, um wesentliche Metallbewegun'

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, da- hervorzurufen. Jedoch wird bei der praktischen Durch durch gekennzeichnet, daß ein isostatischer Druck führung der Erfindung eine solche Metallbewegun: von 14 bis 70 kp/mm² durch an die Form des im wesentlichen vermieden.

Gußkörpers angepaßte Verschalungen ausgeübt Ein wichtiges Merkmal bei der praktischen Durch

und mindestens 15 Sekunden aufrechterhalten wird. 25 führung der Erfindung besteht darin, daß der iso

statische Druck auf die ganze Gußmasse währenc einer bestimmten Zeitspanne, z. B. mehrerer Sekunder

bis 1 Stunde oder länger, ausgeübt wird. Dies kann de:

bei einem Schmiedevorgang auftretenden Situatior 30 gegenübergestellt werden, wo ein gegebener Druck-

Die Erfindung betrifft.ein Verfahren zur Herstellung spiegel gewöhnlich nicht auf dem gesamten Teil lastet von Gußkörpern aus Aluminium oder Aluminium- und gewöhnlich nicht während einer bedeutenden legierungen mit verbesserter Ermüdungsfestigkeit und Dauer aufrechterhalten wird. Beim Schmieden ist die einer Mikroporengröße von nicht mehr als 2,54 Mikron. Druckanwendung entweder sehr kurz, wie beim

Bei der Herstellung verschiedenartiger Teile oder 35 Schlagschmieden, oder wird sofort durch Metall-Formen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, bewegung vermindert, oder beides ist gegeben. Bei insbesondere komplizierter Formen, wird, in solchen der praktischen Durchführung der Erfindung kann der Fällen, wo eine Wahl gegeben ist, fast stets das Gießen kleinste Zeitraum zur Druckausübung als etwas von in Betracht gezogen wegen der Kosteneinsparungen dem isostatischen Druckspiegel abhängig betrachtet gegenüber dem Schmieden und anderer Methoden. 40 werden, da höhere is'ostatische Drücke vorteilhaft für Aluminium-oder Aluminiumlegierung-Gußmassen be- kürzere Zeiträume aufrechterhalten werden können sitzen jedoch bestimmte Nachteile, welche ihre An- als niedrigere Drücke. Die Temperatur ist ein anderer wendung beschränken. Eine solche Beschränkung, die abhängiger Faktor, da höhere Temperaturen, die vorsolchen technisch hergestellten Gußmassen anhaftet, teilhafte Anwendung niedriger Drücke, kürzere Zeiten besteht darin, daß ihre Ermüdungsfestigkeit bedeutend 45 für die Druckanwendung oder beides erleichtern, schlechter als die von Schmiedemassen ist. Zur Ver^ , Verschiedene Maßnahmen können bei der praktianschaulichung: Eine Schmiedemasse zeigt im allge- sehen Durchführung der Erfindung zur Ausübung des meinen eine Ermüdungsfestigkeit von 25% oder mehr, isostatischen Druckes angewendet werden. Die bewelche größer als die einer entsprechenden Gußmasse quemsten Maßnahmen sind mechanische Druckist. Unter Ermüdungsfestigkeit wird in dieser Beschrei- 50 anwendung, wie durch Verschalungen (Formen), und bung die Beanspruchung verstanden, welche für eine Anwendung von Flüssigdruck, wie durch ein Gas. vorbestimmte Zahl von Umdrehungen ohne Ausfall Bei der mechanischen Ausübung des isostatischen angewendet werden kann. In der Aluminiumindustrie Druckes wird die Gußmasse innerhalb einer der Gußist es üblich, die Ermüdungsfestigkeit als den Bean- masse angepaßten Verschalung angeordnet, spruchungswiderstand bei 5 · 10⁸ Umdrehungen ohne 55 Der Druck kann dann durch irgendwelche Maß-Ausfall festzulegen. nahmen wie durch eine hydraulische Presse ausgeübt

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Ver- werden. Es ist wichtig, daß die Verschalungen so fahren zur Herstellung von Gußkörpern aus Alumi- konstruiert sind, daß im wesentlichen ein Metallfluß nium oder Aluminiumlegierungen zu entwickeln, in der Gußmasse verhindert wird, d. h., die Gußmasse weiche eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit, in der 60 muß so eingeschlossen sein, daß im wesentlichen jede Größenordnung von 25 °/₀ oder mehr aufweisen sollten. bedeutende Bewegung daraus verhindert wird. So sind

Diese Aufgabe wurde mit einem Verfahren zur Her- herkömmliche Schmiedeverschalungen im allgemeinen stellung von Gußkörpern aus Aluminium oder Alu- im Hinblick auf glatte Außenflächen oder andere miniumlegierungen mit verbesserter Ermüdungsfestig- Stellen für einen Metallaustritt aus der Verschalung, keit und einer Mikroporengröße von nicht mehr als 65 wodurch dem isostatischen Druck durch Metall-2,54 Mikron gelöst, welches dadurch gekennzeichnet bewegung ausgewichen würde, etwas abzuwandeln, ist, daß der Gußkörper bei einer Temperatur von Da der mechanisch anwendbare isostatische Druck mindestens 315°C, jedoch unterhalb der Schmelz- lediglich durch die Preßkapazität begrenzt ist, können