DE3344450A1

DE3344450A1 - Motormaentel auf basis von aluminiumlegierungen und intermetallischen verbindungen und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE3344450A1
Application number: DE19833344450
Authority: DE
Inventors: Michel 75116 Paris Eudier; Noël 93160 Noisy le Grand Huret; Jean 38000 Grenoble Meunier
Original assignee: Cegedur Societe de Transformation de lAluminium Pechiney SA; Alliages Frittes Metafram
Current assignee: Cegedur Societe de Transformation de lAluminium Pechiney SA; Alliages Frittes Metafram
Priority date: 1982-12-09
Filing date: 1983-12-08
Publication date: 1984-06-14
Also published as: US4537167A; GB2131457A; IT8323992A0; ES8406635A1; GB2131457B; BR8306692A; IT1169480B; JPS59113138A; CH656184A5; DE3344450C2; ES527863A0; FR2537655A1; CA1187313A; GB8332728D0

Description

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1. CEGEDUR SOCIETE DE TRANSFORMATION DE L'ALUMINIUM PECHINEY

2. Alliages Frittes METAFRAM

75oo8 Paris, Frankreich

Motormäntel auf Basis von Aluminiumlegierungen und intermetallischen Verbindungen und Verfahren zu deren

Herstel1ung

Die Erfindung bezieht sich auf Mäntel von Verbrennungsmotoren oder Brennkraftmaschinen, in denen man eine pulvermetallurgisch erhaltene Matrix auf Basis von Aluminiumlegierungen hoher mechanischer Festigkeit hat. Sie bezieht sich gleichfalls auf einige Verfahren zur Herstellung dieser Mäntel.

Die Motormäntel auf Aluminiumbasis sind nicht neu, jedoch warf ihre Verwendung stets Probleme der Kompatibilität ihrer Arbeitsoberfläche mit den Bestandteilen von Motoren, wie z. B. den Kolben, auf, die mit ihnen in Kontakt sind. Man versuchte, die angetroffenen Schwierigkeiter auf verschiedene Weise zu überwinden, wie etwa durch Vorsehen einer Hülle aus Stahl, überziehen der Oberfläche der Bohrung des Zylinders mit härteren Metallen, wie Eisen oder Chrom, ohne sie jedoch vollständig überwinden zu können.

ÖRIGilSIAL

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Dann ging man zu Legierungen mit besserer mechanischer Haltbarkeit, wie z. B. den übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen, über, bemerkte jedoch danach, daß die primären Siliziumkristalle, die beim Gießen des Mantels auftreten, aufgrund ihrer verhältnismäßig großen Abmessung und ihrer winkligen Form eine nachteilige Neigung zum Kratzen der Oberfläche der Kolben hatten und man so gezwungen war, die Oberfläche der letzteren durch einen überzug zu schützen.

Daher versuchte man danach, da man dennoch bestimmte, durch die übereutektischen AlSi-Legierungen gebotenen Vorteile nutzen wollte, das Gefüge dieser Legierungen, insbesondere bezüglich der Siliziumkörner, zu ändern, um zu versuchen, ihnen die erforderliche Kompatibilität zu verleihen, ohne Oberflächennachbehandlungen der Kolben vornehmen zu müssen. Unter diesen unternommenen Versuchen sind zu nennen:

einerseits alle diejenigen, die darin bestehen, die Gußstruktur zu modifizieren, wie etwa die in der FR-PS 1 441 860 beschriebenen, wo man einen Säureangriff der Aluminiummatrix vornimmt, um die Siliziumkörner in Reliefform zu bringen, und dann ein Polieren dieser Körner durchgeführt, und

andererseits diejenigen, die das Erhalten eines neuen Gußgefüges bezwecken. Dies ist der Fall in der FR-PS 2 235 nach der der Mantel unter solchen Abkühlungsbedingungen gegossen wird, daß er überhaupt keine primäre Siliziumphase, sondern im Gegenteil faserige oder sphäroidische Teilchen mit Abmessungen unter 10 pm aufweist.

In neuerer Zeit ist auch die Anmelderin in ihrer

FR-PS 2 343 895 zu einem neuen Gefüge von übereutektischen AlSi-Legierungen übergegangen, wobei sie jedoch das Gießverfahren durch ein Strangpressen von durch Zerstäbung erhaltenen Pulvern ersetzte. Eine solche Technik weist tatsächlich den Vorteil auf, Pulver einzusetzen, die mit einer hohen Abkühlungsgeschwindigkeit gebildet sind und in denen die Körner von primärem Silizium eine verhältnismäßig kleine Korngröße, und zwar in jedem Fall unter der sich beim herkömmlichen Gießen ergebenden haben. Diese Korngröße wird durch das Strangpressen nicht verändert, und man erhält so ein neues Gefüge, das feine und gut verteilte Siliziumteilchen aufweist, die die Kompatibilität des Mantels mit dem Kolben merklich verbessern.

Man beobachtet jedoch im Lauf der Versuche unter besonders strengen Temperaturbedingungen trotzdem eine Verschlechterung des so hergestellten Mantels.

Aufgrund einer vertieften Untersuchung der Erscheinung stellte die Anmelderin fest, daß dieses schlechte Verhalte?!
auf punktförmige Verschweißungen zwischen Mantel und Kolben zurückzuführen war.

Bei Weiterführung ihrer Untersuchungen berücksichtigte sie die Kriterien einer guten Kompatibilität, nämlich:

eine geeignete Härte des Materials des Mantels, um eine ausreichende Verschleißfestigkeit bei gleichzeitiger Vermeidung des Auftretens von Kratzern zu haben,

einen verhältnismäßig niedrigen Reibungskoeffizient,

um die Relativbewegungen der Teile zueinander zu erleichtern,

ΡΔΠ

eine Eignung zum Nicht-Verschweißen der Materialien untereinander, um jede Oberflächenverschlechterung zu verhindern.

Bei der Untersuchung der verschiedenen Lösungen nach dem Stand der Technik leitete sie daraus ab, daß, wenn die Härtefunktion mehr oder weniger gut durch die Teilchen von primärem Silizium erfüllt wurde und wenn die Reibungsfunktion durch Zusatz bestimmter Schmiermittel, wie z. B. Graphit, erreicht war, im Gegensatz dazu die Nichtverschweißfunktion unter den bisher verwendeten Mitteln keine brauchbare Lösung gefunden hatte.

Deshalb bechäftigte sich die Anmelderin insbesondere mit dem Problem, ein geeignetes Nichtverschweißmittel zu finden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen solchen Motormantel zu entwickeln, der alle drei genannten Kriterien, insbesondere die Nichtverschweißeignung, befriedigend erfüllt.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, sind Motormäntel aus einem Werkstoff mit einer pulvermetallurgisch erhaltenen Matrix auf Basis von Aluminiumlegierungen hoher mechanischer Festigkeit der Gruppe der Legierungen des Typs A-S12$^G und der Legierungen der Serie 700CP, denen 1 bis 12 % Silizium zugesetzt sind, und ggf. weiteren Elementen,mit dem Kennzeichen, daß sie eine Dispersion von Körnern wenigstens einer intermetallischen Verbindung enthalten, die von

+) 11,5-13 % Si, 1-5 % Cu, 0,2-1 % Mg, Rest Al. ++) Aluminium Association-Norm, 3,5-8 % Zn, 0,7-3 % Mg, 0-2,5 % Cu, Rest Al.

der zum Auftreten in der Legierung geeigneter Verbindungen verschieden ist und einen Schmelzpunkt über 700 ⁰C hat.

Erfindungsgegenstand ist also ein Mantel aus zusammengesetztem Material , worin man in einer Matrix auf Basis von Aluminiumlegierungen mit hoher mechanischer Festigkeit Körner einer intermetallischen Verbindung, d. h. einer chemischen Verbindung von zwei oder mehr Metallen mit ihrem eigenen Kristallsystem, findet.

Es ist hervorzuheben, daß diese Dispersion vom Gefüge- und/oder Zusammensetzungsstandpunkt von derjenigen verschieden ist, die in der Matrix aus Aluminiumlegierung vorliegen könnte. Tatsächlich ist es möglich, daß diese Matrix gewisse Elemente enthält, die sich zur Bildung von intermetallischen Verbindungen untereinander im Lauf ihrer Herstellung durch Pulvermetallurgie eignen, doch diese Verbindungen gehören zum eigentlichen Gefüge der Legierung und haben nichts mit den Verbindungen der Erfindung zu tun.

Die Anmelderin fand nämlich, daß nur die Gegenwart

einer solchen Verbindung im Gefüge eines Mantels mit

^{a a} daß sie Aluminiumlegierungsmatrix die Eigenschaft hat, die Neigung des Mantels, sich örtlich mit dem Kolben zu verschweißen, wenn bestimmte Temperaturgrenzen überschritten werden, stark verringert oder sogar unterdrückt.

Außer ihren Nichtverschweißeigenschaften wurde im Lauf von Versuchen festgestellt, daß diese Verbindungen ermöglichten, in der Weise der Siliziumkörner harte Punkte im Mantel zu schaffen und so seine Verschleiß-

festigkeit zu verstärken, so daß man von der Anwesenheit primären Siliziums abgehen konnte.

Außerdem stellte man fest, daß diese Verbindungen auch einen guten Reibungskoeffizient aufweisen; sie können so die Rolle des Schmiermittels selbst oder in Verbindung mit Graphit spielen, in welchem Fall sie diesen Eigenschaftstyp unterstützen.

Unter den untersuchten intermetallischen Verbindungen erweist sich das Ni^Sn, in dem drei Nickelatome mit einem Zinnatom verbunden sind, um Kristalle des hexagonalen Typs zu bilden, als besonders leistungsfähig sowohl in seinen Funktionen als "Nichtverschweiß"-Mittel als auch als Schmiermittel und verschleißfester Stoff.

Solche Verbindungen werden gleichmäßig in der Masse des Mantels in Form von Körnern verteilt. Jedoch werden diese Körner zur vollen Entwicklung ihrer Wirkungen vorzugsweise kalibriert, d. h. daß sie einer möglichst engen Korngrößenverteilungskurve entsprechen, wobei ihre Abmessungen vorzugsweise im Bereich von 5 bis 50 ym liegen Man schließt so einerseits die zu feinen Körner, die zum Festfressen der Werkzeuge zum Herstellen der Mäntel führen, und andererseits die zu groben Körner aus, die die Erhöhung des Reibungskoeffizienten verursachen.

Um einen günstigen Kompromiß zwischen den durch jeden der Bestandteile des Mantels herbeigeführten Vorteile zu erhalten, stellte man fest, daß der Anteil von Körnern der intermetallischen Verbindung vorzugsweise im Bereich von 5 bis 15 % der Masse des Mantels sein soll.

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- ίο -

Diese Körner können einen Habitus aufweisen, der als Funktion ihrer Herstellungsart unterschiedlich ist. So kann man nicht nur durch Zerkleinern hergestellte Körner, sondern auch durch Zerstäuben der Verbindung im flüssigen Zustand erzeugte Körner haben, die hierdurch ein mehr abgerundetes Profil haben.

Was die Matrix aus Aluminiumlegierung betrifft, verwendet man eine Legierung hoher mechanischer Festigkeit,

. _J . _T (Al mit etwa 12 % Si) . vorzugsweise entweder des Typs A-¹S₁₂/,der Elemente wie Kupfer und Magnesium enthält, wie etwa die A-S_12-UG-Legierungen, wo der Kupfergehalt von 1 bis 5 Gew. % variieren kann, oder der Serie der 7000-Legierungen, wie z. B. die AlZn ^Legierungen, denen 1 bis 12 Gew. % Silizium zugesetzt sind. Man kann beispielsweise die Legierungen A-S₁₂U^d" oder A-S₁₂Z₅GL) nennen.

Falls man die Schmiereigenschaften des Mantels verbessern will, kann sein Gefüge geeignete Materialien, wie insbesondere Graphit, enthalten, dessen Gewichtsanteil dann im Bereich von 3 bis 10 % liegt.

Gegenstand der Erfindung sind auch einige Verfahren zur Herstellung dieser Mäntel nach den Patentansprüchen 9 bis 14.

Diese Verfahren weisen eine gemeinsame Phase auf, die darin besteht, die Aluminiumlegierungsmatrix hoher Festigkeit aus dem schmelzflüssigen Zustand zu einem Pulver zu unterteilen. Dies wird nach allen vorhandenen Verfahren, z. B. durch Zentrifugenzerstäubung, Verdüsung, usw., erreicht. Dieses Pulver wird dann gesiebt, um daraus

+) etwa je 0,1-1 % Zn, Mg und Cu, Rest Al ++) etwa 12 % Si, 5 % Zn, 0,1-1 % _Mg, 0,1-1 % Cu, Rest Al

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die Teilchen mit Abmessungen, die nicht zwischen 60 und/100 μπι liegen, zu entfernen, und dann mit Körnern einer intermetallischen Verbindung einer Korngröße im Bereich von 5 bis 50 μπι und in einer derartigen Menge vermischt, daß sie 5 bis 15 Gew. % der Masse des Mantels darstellen; man setzt ggf. 3 bis 10 Gew. % Graphit oder jedes andere zur Verbesserung der Schmiereigenschaften geeignete Element zu. Nach geeigneter Homogenisierung kann ein solches Gemisch dann auf zwei verschiedene Weisen, entweder durch Sintern oder durch Strangpressen, verarbeitet werden.

Im Fall der Sinterung wird das Gemisch der Pulver durch Kaltpressen in einer Vertikalpresse oder isostatischen Presse geformt und dann in gesteuerter Atmosphäre gesintert. Der so erhaltene Mantel wird dann zu den geeigneten Abmessungen bearbeitet.

Im Fall des Strangpressens wird das Gemisch in Form

von Barren oder nach direktem Einführen in den Topf einer

r Presse kaltgepreßt und dann in Rohform nach einem evtl. Vorerhitzen gegenüber der Atmosphäre geschützt stranggepreßt.

Die verwendeten Strangpreßmaschinen sind dem Fachmann an sich bekannt. Es kann sich entweder um ein Brückenwerkzeug oder um eine Einheit einer Breitschiitzuüse und einer schwimmenden Nadel handeln. Das so am Ausgang der Presse erhaltene Rohr wird gerichtet und auf die Länge der Mäntel geschnitten, und diese letzteren werden anschließend bearbeitet.

Es ist möglich, ein Abschrecken des Rohres direkt am

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aus
Austritt/der Strangpresse vorzunehmen und dann eine Anlaßwärmebehandlung anzuschließen, um die mechanischen Eigenschaften des hergestellten Mantels zu verbessern.

Das Gemisch kann auch in Form von Blöcken komprimiert werden, die man einem Rückwärtsstrangpressen unterwirft, um Becher zu bilden, von denen man anschließend den Boden und den entgegengesetzten Rand abschneidet, um Mantel zu gewinnen, die anschließend bearbeitet werden. Es ist auch möglich, ein direktes Abschrecken der Becher nach dem Strangpressen vorzunehmen.

Die Mäntel gemäß der Erfindung finden ihre Anwendung insbesondere in der Kraftfahrzeugindustrie und in jeder Industrieart, wo man danach trachtet, über Mantel-KoIben-Einheiten guter Kompatibilität aus Aluminiumlegierungen zu verfugen.

Claims

BEETZ & PARTNER ·.."·." --^Patentanwälte 3344450

Steinsdorfstr. 10 ■ D-8000 München 22 European Patent Attorneys

Telefon (089) 227201 - 227244 - 295910 _Qj , _{R B£ETZ sen}

Telex 522048 - Telegramm Allpat® München p. . _D «,-r,.,..

ur.-ing. K. Dfcti/üjun.

ο 3-35. 647 P Dr.-lng. W. TIMPE

Dipl.-lng. J. SIEGFRIED

Priv.-Doz. Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. W. SCH MITT-FU MIAN

Dipl.-lng. K. LAMPRECHT 11981

8. Dez. 1983

Patentansprüche

1 J Motormäntel aus einem Werkstoff mit einer pulvermetallurgisch erhaltenen Matrix auf Basis von Aluminiumlegierungen hoher mechanischer Festigkeit der Gruppe der Legierungen des Typs A-S12 UG und der Legierungen der Serie 7000, denen 1 bis 12 % Silizum zugesetzt sind, und ggf. weiteren Elementen,
dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Dispersion von Körnern wenigstens einer intermetallischen Verbindung enthalten, die von der zum Auftreten in der Legierung geeigneter Verbindungen verschieden ist und einen Schmelzpunkt über 700 ⁰C hat.

2. Motormäntel nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die intermetallische Verbindung Ni₃Sn ist.

3 .\Motormäntel nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die intermetallische Verbindung die Form kalibrierter Körner mit Abmessungen im Bereich von 5 bis 50 Mm hat.

4. Motormäntel nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Körner der intermetallischen Verbindung 5 bis 15 % der Masse des Mantels darstellen.

503-(BR 2367)-TF

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5. Motormäntel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Körner der metallischen Verbindung den Habitus von sich aus einer Zerkleinerung ergebenden Teilchen haben.

6. Motormäntel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Körner der intermetallischen Verbindung den Habitus von sich aus der Erstarrung einer zerstäubten Schmelze ergebenden Teilchen haben.

7. Motormäntel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu den weiteren Elementen Graphit gehört.

8. Motormäntel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt des Mantels an Graphit im Bereich von 3 bis 10 Gew. % liegt.

9. Verfahren zur Herstellung von Motormänteln nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung hoher mechanischer Festigkeit aus dem schmelzflüssigen Zustand zu einem Pulver mit Abmessungen im Bereich von 60 bis 400 μιη unterteilt und dann mit Körnern einer intermetallischen Verbindung einer Korngröße im Bereich von 5 bis 50 μιη und in einer 5 bis 15 Gew. % der Masse des Mantels darstellenden Menge vermischt wird, denen ggf. 3 bis 10 Gew. % Graphitpulver zugesetzt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver- und Körnergemi sch durch Kaltpressen geformt und danach in gesteuerter Atmosphäre gesintert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver- und Körnergemisch in einer zu der aus den Pressen mit schwimmender Nadel und mit Brückenwerkzeug bestehenden Gruppe gehörenden Presse stranggepreßt und daß das erhaltene Erzeugnis nach Richten auf die gewünschte Länge geschnitten wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das stranggepreßte Erzeugnis am Ausgang der Presse abgeschreckt und danach einer Wärmebehandlung unterworfen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch in Form von Metallstücken komprimiert und danach einem Rückwärtsstrangpressen zur Bildung eines Bechers unterworfen wird, von dem man den Boden und den entgegengesetzten Rand abtrennt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß man eine direkte Abschreckung der Becher nach dem Strangpressen vornimmt.