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DE19532244A1 - Verfahren zur Herstellung von dünnen Rohren (I) - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von dünnen Rohren (I)

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DE19532244A1
DE19532244A1 DE19532244A DE19532244A DE19532244A1 DE 19532244 A1 DE19532244 A1 DE 19532244A1 DE 19532244 A DE19532244 A DE 19532244A DE 19532244 A DE19532244 A DE 19532244A DE 19532244 A1 DE19532244 A1 DE 19532244A1
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thick
bolts
walled
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DE19532244A
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Bernhard Commandeur
Klaus Hummert
Rolf Schattevoy
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WKW AG
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Peak Werkstoff GmbH
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dünnwandigen Rohren, welche aus einem warmfesten und verschleißfesten Aluminiumwerkstoff bestehen, insbesondere zum Einsatz als Zylinderlaufbuchsen für Verbrennungsmotoren.
Laufbuchsen sind dem Verschleiß ausgesetzte Bauteile, die in die Zylinderöffnungen der Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors eingesetzt, eingepreßt oder eingegossen werden.
Die Zylinderlaufflächen eines Verbrennungsmotors sind starken Reibbeanspruchungen durch den Kolben bzw. durch die Kolbenringe und örtlich auftretenden hohen Temperaturen ausgesetzt. Es ist daher erforderlich, daß diese Flächen aus verschleißfesten und warmfesten Materialien bestehen.
Um dieses Ziel zu erreichen, gibt es u. a. zahlreiche Verfahren, die Oberfläche der Zylinderbohrung mit verschleißfesten Beschichtungen zu versehen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Laufbuchse aus einem verschleißfesten Material im Zylinder anzuordnen. So wurden u. a. Graugußlaufbuchsen verwendet, die aber eine im Vergleich zu Aluminium-Werkstoffen geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen und andere Nachteile aufweisen.
Das Problem wurde vorerst durch einen gegossenen Zylinderblock aus einer übereutektischen AlSi-Legierung gelöst. Aus gießtechnischen Gründen ist der Silizium-Gehalt auf maximal 20 Gew.-% begrenzt. Als weiterer Nachteil des Gießverfahrens ist festzuhalten, daß während der Erstarrung der Schmelze Silizium- Primärteilchen mit verhältnismäßig großen Abmessungen (ca. 30-80 µm) ausgeschieden werden. Aufgrund der Größe und ihrer winkligen und scharfkantigen Form führen sie zu Verschleiß an Kolben und Kolbenringen. Man ist daher gezwungen, die Kolben und die Kolbenringe durch entsprechende Überzüge/Beschichtungen zu schützen. Die Kontaktfläche der Si-Teilchen zum Kolben/Kolbenring wird durch mechanische Bearbeitung eingeebnet. Einer solchen mechanischen Bearbeitung schließt sich dann eine elektrochemische Behandlung an, wodurch die Aluminiummatrix zwischen den Si-Körnern leicht zurückgesetzt wird, so daß die Si-Körner als Traggerüst aus der Zylinderlauffläche geringfügig herausragen. Der Nachteil derartig gefertigter Zylinderlaufbahnen besteht zum einen in einem beachtlichen Herstellungsaufwand (teure Legierung, aufwendige mechanische Bearbeitung, eisenbeschichtete Kolben, armierte Kolbenringe) und zum anderen in der mangelhaften Verteilung der Si-Primärteilchen. So gibt es große Bereiche im Gefüge, die frei von Si-Teilchen sind und somit verstärktem Verschleiß unterliegen. Um diesen Verschleiß zu vermeiden, ist ein relativ dicker Ölfilm als Trennmedium zwischen Laufbahn und Reibpartnern erforderlich. Für die Einstellung der Ölfilmdicke ist u. a. die Freilegungstiefe der Si-Teilchen entscheidend. Ein verhältnismäßig dicker Ölfilm führt zu höheren Reibungsverlusten in der Maschine und zu einer stärkeren Erhöhung der Schadstoffemission.
Demgegenüber ist ein Zylinderblock gemäß DE 42 30 228, der aus einer untereutektischen AlSi-Legierung gegossen und mit Laufbuchsen aus übereutektischen AlSi-Legierungsmaterial versehen wird, kostengünstiger. Die zuvor genannten Probleme werden aber auch hier nicht gelöst.
Um die Vorteile der übereutektischen AlSi-Legierungen als Laufbuchsenmaterial nutzen zu können, ist das Gefüge hinsichtlich der Si-Körner zu verändern. Aluminiumlegierungen, die gießtechnisch nicht realisierbar sind, können bekanntlich durch pulvermetallurgische Verfahren oder Sprühkompaktieren maßgeschneidert hergestellt werden.
So sind auf diese Weise übereutektische AlSi-Legierungen herstellbar, die aufgrund des hohen Si-Gehaltes, der Feinheit der Si-Teilchen und der homogenen Verteilung eine sehr gute Verschleißfestigkeit besitzen und durch Zusatzelemente wie beispielsweise Fe, Ni oder Mn die erforderliche Warmfestigkeit erhalten. Die in diesen Legierungen vorliegenden Si-Primärteilchen haben eine Größe von ca. 0,5 bis 20 µm. Damit sind die auf diese Weise hergestellten Legierungen geeignet für einen Laufbuchsenwerkstoff.
Obwohl Aluminium-Legierungen im allgemeinen leicht zu verarbeiten sind, ist das Umformen dieser übereutektischer Legierungen problematischer. Aus der EP 0 635 318 ist ein Verfahren zum Herstellen von Laufbuchsen aus einer übereutektischen AlSi-Legierung bekannt. Hier wird die Laufbuchse durch Strangpressen bei sehr hohen Drücken und Strangpreßgeschwindigkeiten von 0,5 bis 12 m/min gefertigt. Um kostengünstig durch Strangpressen Laufbuchsen auf Endmaß zu produzieren, sind sehr hohe Preßgeschwindigkeiten notwendig. Es hat sich gezeigt, daß bei derartig schwer preßbaren Legierungen und den zu erzielenden geringen Wandstärken der Laufbuchsen die hohen Preßgeschwindigkeiten zum Aufreißen der Profile beim Strangpressen führen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein verbessertes, kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von dünnwandigen Röhren, insbesondere für Zylinderlaufbuchsen von Verbrennungsmotoren, zur Verfügung zu stellen, wobei die gefertigten Laufbuchsen die geforderten Eigenschaftsverbesserungen bezüglich Verschleißfestigkeit, Warmfestigkeit und Reduzierung der Schadstoffemissionen aufweisen sollen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrensschritten gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erforderlichen tribologischen Eigenschaften werden insbesondere dadurch erreicht, daß Silizium-Partikel als Primärausscheidungen in einem Größenbereich von 0,5 bis 20 µm, oder als zugesetzte Partikel in einem Größenbereich bis 80 µm im Werkstoff vorhanden sind. Zur Herstellung solcher Al-Legierungen müssen Verfahren angewendet werden, die eine weit höhere Erstarrungsgeschwindigkeit einer hochlegierten Schmelze erlauben, als es mit konventionellen Gießverfahren möglich ist.
Dazu gehört einerseits das Sprühkompaktierverfahren (im nachfolgenden "Sprühkompaktieren"). Zur Erzielung der gewünschten Eigenschaften wird eine mit Silizium hochlegierte Aluminium-Legierungsschmelze verdüst und im Stickstoffstrahl mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 1000°C/s abgekühlt. Die teilweise noch flüssigen Pulverteilchen werden auf einen rotierenden Teller gesprüht. Der Teller wird während des Vorganges kontinuierlich abwärts bewegt. Durch die Überlagerung beider Bewegungen entsteht ein zylindrischer Bolzen, der Abmessungen von ca. 1000 bis 3000 mm Länge bei einem Durchmesser von bis zu 400 mm hat. Aufgrund der hohen Abkühlgeschwindigkeiten entstehen in diesem Sprühkompaktierprozeß Si-Primärausscheidungen bis zu 20 µm Größe. Eine Anpassung der Si-Ausscheidungsgröße erreicht man durch das "Gas zu Metall- Verhältnis" (Normkubikmeter Gas pro Kilogramm Schmelze), mit dem die Erstarrungsgeschwindigkeit im Prozeß eingestellt werden kann. Aufgrund der Erstarrungsgeschwindigkeiten und der Übersättigung der Schmelze können Si- Gehalte der Legierungen bis zu 40 Gew.% realisiert werden. Aufgrund der schnellen Abschreckung der Aluminium-Schmelze im Gasstrahl wird der Übersättigungszustand im erhaltenen Bolzen quasi "eingefroren".
Alternativ zur Bolzenherstellung können durch das Sprühkompaktieren auch dickwandige Rohrluppen mit Innendurchmessern von 50-120 mm und einer Wandstärke bis zu 250 mm hergestellt werden. Dazu wird der Partikelstrahl nach der Verdüsung auf ein horizontal um seine Langsachse rotierendes Trägerrohr gerichtet und dort kompaktiert. Durch einen kontinuierlichen und geregelten Vorschub in horizontaler Richtung wird auf diese Weise eine Rohrluppe hergestellt, die als Vormaterial für die Weiterverarbeitung durch Rohrstrangpressen und/oder andere Warmumformverfahren dient. Das o.g. Trägerrohr besteht aus einer konventionellen Aluminium-Knetlegierung oder aus der gleichen Legierung, wie sie durch das Sprühkompaktieren hergestellt wird (artgleich).
Der Sprühkompaktierprozeß bietet weiterhin die Möglichkeit, über einen Partikelinjektor Teilchen in den Bolzen oder in die Rohrluppe einzubringen, die nicht in der Schmelze vorhanden waren. Da diese Teilchen eine beliebige Geometrie und eine beliebige Größe zwischen 2 µm und 400 µm aufweisen können, bestehen eine Vielzahl von Einstellungsmöglichkeiten für ein Gefüge. Diese Teilchen können z. B. Si-Partikel im Bereich von 2 µm bis 400 µm oder oxidkeramische Teilchen (z. B. Al₂O₃) oder nicht oxidkeramische Teilchen (z. B. SiC, B₄C, etc.) im vorgenannten Teilchengrößenspektrum sein, wie sie kommerziell erhältlich und für den tribologischen Aspekt sinnvoll sind.
Eine weitere Möglichkeit, eine geeignete Gefügeausbildung zu erzeugen, besteht in der schnellen Erstarrung einer mit Silizium übersättigten Aluminium- Legierungsschmelze (im nachfolgenden "Pulverroute"). Dabei wird durch eine Luft- oder Inertgasverdüsung der Schmelze ein Pulver erzeugt. Dieses Pulver kann einerseits vollständig legiert sein, was bedeutet, daß sämtliche Legierungselemente in der Schmelze enthalten waren, oder das Pulver wird aus mehreren Legierungs- oder Elementpulvern in einem folgenden Schritt gemischt. Das vollständig legierte, oder das gemischte Pulver wird anschließend durch kaltisostatisches Pressen oder Heißpressen oder Vakuumheißpressen zu einem Bolzen oder einem dickwandigen Hohlzylinder (Rohrluppe) verpreßt.
Der Gefügezustand der sprühkompaktierten Bolzen/ Rohrluppen oder der Bolzen/ Rohrluppen, die über die Pulverroute hergestellt wurden, kann durch anschließende Überalterungsglühungen geändert werden. Durch eine Glühung kann das Gefüge auf eine Si-Korngröße von 2 bis 30 µm eingestellt werden, wie sie für die geforderten tribologischen Eigenschaften wünschenswert ist. Das Heranwachsen größerer Si-Partikel während des Glühprozesses wird durch Diffusion im Festkörper auf Kosten kleinerer Si-Partikel bewirkt. Diese Diffusion ist abhängig von der Überalterungstemperatur und der Dauer der Glühbehandlung. Je höher die Temperatur gewählt wird, desto schneller wachsen die Si-Körner. Geeignete Temperaturen liegen bei etwa 500°C, wobei eine Glühdauer von 3-5 Stunden ausreichend ist.
Das so eingestellte und damit maßgeschneiderte Gefüge verändert sich bei den nachfolgenden Verfahrensschritten nicht mehr oder es verändert sich für die geforderten tribologischen Eigenschaften günstig.
Durch Warmumformen, vorzugsweise durch Strangpressen, wird aus dem Bolzenrohling, der über "Sprühkompaktieren" oder über die "Pulverroute" hergestellt wurde, ein dickwandiges Rohr mit einer Wandstärke von 6 bis 20 mm geformt. Dabei liegen die Strangpreßtemperaturen zwischen 300°C und 550°C.
Das Strangpressen dient nicht nur der Formgebung, sondern auch dazu, die Restporosität der sprühkompaktierten Bolzen oder der sprühkompaktierten Rohrluppen (1-5%) bzw. der Bolzen oder der Rohrluppen, welche über die Pulverroute hergestellt wurden, (1-40%) zu schließen und das Material endgültig zu konsolidieren.
Die weitere, noch erforderliche Wanddickenreduzierung wird durch Rundkneten oder andere Warmumformverfahren bei Temperaturen von 250°C bis 500°C erzielt.
Das auf die Endwanddicke geformte Rohr wird anschließend in Rohrabschnitte der geforderten Länge zerteilt.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß das Material für die Laufbuchse maßgeschneidert werden kann. Dem hohen Aufwand beim Strangpressen sowohl hinsichtlich Preßdruck, Preßgeschwindigkeit als auch Produktqualität wird durch den nachfolgenden zweiten Warmumformverfahrensschritt ausgewichen.
Beispiel 1
Eine Legierung der Zusammensetzung Al Si25 Cu2,5 Mg1 Ni1 wird bei einer Schmelzentemperatur von 830°C mit einem Gas/ Metall-Verhältnis von 4,5 m³/kg (Normkubikmeter Gas pro Kilogramm Schmelze) nach dem Sprühkompaktierprozeß zu einem Bolzen kompaktiert. Im sprühkompaktierten Bolzen liegen unter den genannten Bedingungen die Si-Ausscheidungen im Größenbereich von 1 µm bis 10 µm (Gefüge Fig. 1). Der sprühkompaktierte Bolzen wird einer Glühbehandlung von 4 h bei 520°C unterzogen. Nach dieser Glühbehandlung liegen die Si-Auscheidungen im Größenbereich von 2 µm bis 30 µm. Durch Warmstrangpressen bei 420°C und einer Profilaustrittsgeschwindigkeit von 0,5 m/min in einem Kammerwerkzeug entsteht ein Rohr mit einem Außendurchmesser von 94 mm und einem Innendurchmesser von 69,5 mm (Gefüge Fig. 2). Die anschließende Warmumformung durch Rundkneten bei 420°C von einem Außendurchmesser von 94 mm auf einen Außendurchmesser von 79 mm und einem Innendurchmesser von 69 mm, der durch einen Dorn geformt wird, führt zu keiner Gefügeänderung.
Bespiel 2
Eine Legierung der Zusammensetzung Al Si8 Fe3 Ni2 wird bei einer Schmelzentemperatur von 850°C mit einem Gas/ Metall -Verhältnis von 2,0 m³/kg nach dem Sprühkompaktierprozeß zu einem Bolzen kompaktiert. Dieser Legierung werden über den Partikelinjektor 20% Si-Partikel im Größenbereich von 40 µm bis 71 µm zugeführt. Durch den Prozeß kann ein homogenes Gefüge erzeugt werden (Gefüge Fig. 3). Da das gewünschte Gefüge über den Sprühkompaktierprozeß eingestellt wurde, ist eine Glühbehandlung nicht erforderlich. Durch Warmstrangpressen bei 450°C und einer Profilaustrittsgeschwindigkeit von 0,3 m/min in einem Kammerwerkzeug entsteht ein Rohr mit einem Außendurchmesser von 94 mm und einem Innendurchmesser von 69,5 mm (Gefüge Fig. 4). Die anschließende Warmumformung durch Rundkneten bei 440°C von einem Außendurchmesser von 94 mm auf einen Außendurchmesser von 79 mm führt zu keiner Gefügeänderung.
Beispiel 3
Eine Legierung der Zusammensetzung Al Si25 Cu2,5 Mg1 Ni1 wird bei einer Schmelzentemperatur von 830°C mit Luft verdüst. Das entstehende Pulver wird gesammelt und kaltisostatisch bei 2700 bar zu einem Bolzen mit einem Außendurchmesser von 250 mm und einer Länge von 350 mm gepreßt. Die Dichte des Bolzen beträgt 80% der theoretischen Dichte der Legierung. Die Si- Primärausscheidungen liegen im Bereich von 1 µm bis 10 µm. Der kaltisostatisch gepreßte Bolzen wird einer Glühbehandlung von 4 h bei 520°C unterzogen. Nach dieser Glühbehandlung liegen die Si-Auscheidungen im Größenbereich von 2 µm bis 30 µm. Durch Warmstrangpressen bei 420°C und einer Profilaustrittsgeschwindigkeit von 0,5 m/min in einem Kammerwerkzeug wird das Material vollständig verdichtet und zu einem Rohr mit einem Außendurchmesser< von 94 mm und einem Innendurchmesser von 69,5 mm umgeformt. Die anschließende Warmumformung durch Rundkneten bei 420°C von einem Außendurchmesser von 94 mm auf einen Außendurchmesser von 79 mm und einem Innendurchmesser von 69 mm, der durch einen Dorn geformt wird, führt zu keiner Gefügeänderung.
Beispiel 4
Eine Legierung der Zusammensetzung Al Si25 Cu2,5 Mg1 Mn1 wird bei einer Schmelzentemperatur von 860°C mit einem Gas/Metall-Verhältnis von 2,5 m³/kg nach dem Sprühkompaktierverfahren zu einer Rohrluppe mit einem Außendurchmesser von 250 mm und einem Innendurchmesser von 80 mm kompaktiert. Dabei dient ein dünnwandiges Rohr mit einem Außendurchmesser von 84 mm bei 2 mm Wandstärke aus einer konventionellen Aluminiumknetlegierung (AlMgSi0,5) als rotierendes Trägerrohr, auf das die oben genannte Legierung aufgesprüht wird. In der sprühkompaktierten Rohrluppe liegen unter den genannten Bedingungen die Silizium-Ausscheidungen im Größenbereich von 0,5 µm bis 7 µm. Um die Silizium-Ausscheidungen auf eine Größe von 2 bis 30 µm einzustellen, wird die sprühkompaktierte Rohrluppe einer Glühbehandlung von 5 h bei 520°C unterzogen. Durch Rohrstrangpressen bei 400°C und einer Profilaustrittsgeschwindigkeit von 1,5 m/min entsteht ein Rohr mit einem Außendurchmesser von 94 mm und einem Innendurchmesser von 69,5 mm. Hierbei wirkt sich insbesondere das Trägerrohrmaterial AlMgSi0,5 positiv auf die erforderlichen Preßkräfte und Geschwindigkeiten aus, da es zum Dorn hin als Schmiermittel agiert. Die anschließende Warmumformung durch Rundkneten bei 430°C von einem Außendurchmesser von 94 mm auf einen Außendurchinesser von 79 mm und einem Innendurchmesser von 69 mm, der durch einen Dorn geformt wird, führt zu keiner Gefügeänderung.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung von dünnen Rohren aus einem warmfesten und verschleißfesten Leichtmetallwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - durch Sprühkompaktieren einer Legierungsschmelze oder durch Warm- bzw. Kaltverdichten einer Pulvermischung bzw. eines legierten Pulvers, welches über Luft- oder Inertgasverdüsung in einer Partikelgröße von kleiner 250 µm erhalten wurde, hergestellte Bolzen oder Rohrluppen aus einem übereutektischen AlSi-Material bereitgestellt wird, wobei die enthaltenen Si- Primärteilchen eine Größe von 0,5 bis 20 µm, vorzugsweise eine Größe von 1 bis 10 µm besitzen,
  • - diese Bolzen oder Rohluppen im Bedarfsfall zur Vergröberung der enthaltenen Si-Primärteilchen einer Überalterungsglühung unterzogen werden, wobei die Si-Primärteilchen zu einer Größe von 2 bis 30 µm anwachsen,
  • - die auf Strangpreßtemperatur von 300 bis 550°C gehaltenen Bolzen oder Rohrluppen zu dickwandigen Rohren von 6 bis 20 mm Wandstärke stranggepreßt werden und
  • - die Wandstärke der dickwandigen Rohre durch ein Warmumformverfahren bei Temperaturen von 250 bis 500 °C auf 1,5 bis 5 mm reduziert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Bolzen oder Rohrluppen eine Pulvermischung, ein legiertes Pulver oder eine Legierungsschmelze der folgenden Zusammensetzung eingesetzt wird:
Al Si(17-35) Cu(2,5-3,5) Mg(0,2-2,0) Ni(0,5-2).
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Bolzen oder Rohrluppen eine Pulvermischung, ein legiertes Pulver oder eine Legierungsschmelze der folgenden Zusammensetzung eingesetzt wird:
Al Si(17-35) Fe(3-5) Ni(1-2).
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Bolzen oder Rohrluppen eine Pulvermischung, ein legiertes Pulver oder eine Legierungsschmelze der folgenden Zusammensetzung eingesetzt wird:
Al Si(25-35).
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Bolzen oder Rohrluppen eine Pulvermischung, ein legiertes Pulver oder eine Legierungsschmelze der folgenden Zusammensetzung eingesetzt wird:
Al Si(17-35) Cu(2,5-3,3) Mg(0,2-2,0) Mn(0,5-5).
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Sprühkompaktieren ein Teil des Siliziums über die Schmelze der eingesetzten AlSi-Legierung und ein Teil des Siliziums in Form von Si-Pulver mittels eines Partikelinjektors in den Bolzen oder die Rohrluppe eingebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Überalterungsglühung zur Vergröberung der Si-Primärteilchen bei Temperaturen von 460 bis 540°C über einen Zeitraum von 0,5 bis 10 Stunden vorgenommen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Warmumformen des dickwandigen Rohres durch Rundkneten oder Rundhämmern erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Warmumformen des dickwandigen Rohres durch Rohrwalzen mit Innenwerkzeug erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Warmumformen des dickwandigen Rohres durch Drückwalzen erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Warmumformen des dickwandigen Rohres durch Rohrziehen erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Warmumformen des dickwandigen Rohres durch Ringwalzen erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das im Durchmesser und in der Wandstärke auf Endmaß geformte Rohr in Rohrabschnitte gewünschter Länge zerteilt wird.
14. Verwendung eines nach den Ansprüchen 1 bis 13 hergestellten Rohrabschnittes als Laufbuchse für Verbrennungsmotoren aus Leichtmetall.
DE19532244A 1995-09-01 1995-09-01 Verfahren zur Herstellung von dünnwandigen Rohren (I) Expired - Lifetime DE19532244C2 (de)

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