Verfahren zur Herstellung von aus einem aus Eisen oder einer Eisenlegierung bestehenden Kör per und einem Leichtmetall oder einer Leichtmetallegierung zusammengesetzten Gegenständen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von aus Eisen und Eisenlegierungen und Leichtmetallen oder Leichtmetallegierungen zu sammengesetzten Gegenständen, z. B. Aluminium schmiede- oder -gussstücken mit Stahl- oder Gusseisen- einlage. .
Es wurde schon vorgeschlagen, Kolben aus Alu minium mit ringförmigen, gerieften Gusseiseneinlagen herzustellen, die bei Betrieb des Kolbens die Kolben ringe aufnehmen. Grosse Schwierigkeiten bestanden bisher darin, eine befriedigende und genügend dauer hafte Verbindung zwischen dem Aluminium und dem Eisen herzustellen.
Man hat versucht, durch mechanisches Aufrau hen, durch Rändeln oder Einriefen der Eiseneinlagen eine solche Bindung zu gewährleisten, jedoch keine befriedigenden Resultate erzielt. Es wurde vorgeschla gen, die Eiseneinlage zuerst. durch Eintauchen in ein heisses Aluminiumbad zu überziehen. In diesem Zu sammenhang hat man auch verschiedene vorläufige überzöge für das Eisen aus Metallen vorgeschlagen, die von dem flüssigen Aluminium rascher benetzt werden.
Ein Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines einfach durchzuführenden und wirtschaftlichen Ver fahrens zur Herstellung einer guten Bindung zwischen einem Körper aus Eisen oder Eisenlegierungen und darauf gegossenen Leichtmetallen oder Leichtmetall legierungen.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von Gegenständen, die aus einem aus Eisen oder einer Eisenlegierung bestehenden Körper und einem Leichtmetall oder einer Leichtmetallegierung zusam mengesetzt sind, bei welchem Verfahren man den genannten Körper mit einem Metall elektroplattiert, das vom Leichtmetall besser benetzt wird als das Eisen bzw. die Eisenlegierung, und dann in eine Giess form einsetzt, in welche das Leichtmetall bzw, die Leichtmetallegierung gegossen wird, ist dadurch ge kennzeichnet, dass man den elektroplattierten Körper auf eine Temperatur bringt, die einerseits unterhalb des Schmelzpunktes des Leichtmetalles bzw.
der Leichtmetallegierung liegt, anderseits jedoch genügt, um das Plattiermetall zu verflüssigen, und dass man beim Eingiessen des Leichtmetalles oder der Leicht metallegierung in die Giessform so vorgeht, dass das flüssige Metall einige Zeit über die Oberfläche des Körpers strömt.
Neben diesen Massnahmen kann dem Körper wäh rend des Gusses eine mechanische Schwingung von z. B. 1000 bis mehreren tausend Perioden und einer Amplitude von 0,20 bis 0,25 mm erteilt werden, wie dies in der USA-Patentschrift Nr. 2 797 460 be schrieben ist.
Als Leichtmetalle kommen vor allem Magne sium, Aluminium, Legierungen aus Magnesium und Aluminium und Aluminiumlegierungen, die haupt sächlich aus Aluminium bestehen, jedoch noch andere Metalle, wie Silicium, Kupfer, Nickel, Eisen, Vana- dium enthalten können. Der genannte Körper (im folgenden kurz Eisenkörper genannt) kann z. B. aus Eisen, Fluss-Stahl und Gusseisen, mit oder ohne die häufig in solchen Materialien vorkommenden Legierungsbestandteilen bestehen.
Als Metalle, die vom Leichtmetall oder der Leichtmetallegierung leichter benetzt werden, als der Eisenkörper, kommen z. B. Zink, Zinn und Cadmium in Frage. Bezüglich der Beschaffenheit der Metallbindung wird auf die beiliegenden Fig. 1 bis 7 verwiesen, die mikrophotographische Aufnahmen von Strukturen darstellen, bei denen Aluminium mit Eisen verbun den ist.
Bekanntlich benetzen Aluminium und andere Leichtmetalle im Heiss-Tauchverfahren die Oberfläche von Eisen nicht genügend, wenn diese mit einer Oxydschicht bedeckt ist. In einem solchen Verfahren ist es notwendig, die Berührung zwischen dem ge schmolzenen Metall und dem Eisen so lange aufrecht zu erhalten, bis eine Auflösung oder Reduktion des Oxydes erfolgt ist. Dann erst findet die Benetzung und die Bildung einer Grenzflächenlegierung statt.
Man hat vorgeschlagen, diese Bedingung dadurch zu erleichtern, dass man das Eisen zuerst mit einem Me tall überzieht, dessen Schmelzpunkt niedriger ist als der des Leichtmetalles und das von dem Leichtmetall leichter benetzt wird als Eisen. Solche Metalle sind im allgemeinen Zinn, Zink und Cadmium. Wird eines dieser Metalle vor dem Heiss-Tauchverfahren auf Eisendraht; auf Bandeisen oder andere Eisengegen stände plattiert oder in anderer Weise abgeschieden, so wird dadurch eine raschere Benetzung bei einer kürzeren Eintauchzeit. erreicht.
Das Ergebnis. des Tauchens ist jedoch die Bildung eines Leichtmetall überzuges auf dem Eisenkörper, sowie eine scharf abgesetzte Grenzflächenlegierungsschicht. Bei einem Zinnüberzug auf Eisen, der dann in Aluminium heissgetaucht wird, besteht die Grenzflächenlegie- rungsschicht wahrscheinlich aus einer Legierung aus Zinn, Eisen und Aluminium. Die Legierungsschicht ist auf der dem Leichtmetall zugekehrten Seite etwas rauh, erscheint aber auf der an das Eisen grenzenden Seite im allgemeinen verhältnismässig glatt und scharf abgesetzt.
Bei dem vorstehend genannten Verfahren wird ein eiserner Körper zunächst in das geschmolzene Leichtmetall heissgetaucht; dann wird er in eine Form eingesetzt, und zusätzliches Leichtmetall wird darauf gegossen. Durch das Zugiessen von zusätzlichem Leichtmetall in geschmolzenem Zustand auf den durch Heisstauchen zuvor hergestellten überzug wird die Grenzflächenlegierungsschicht nicht verringert, son dern im Gegenteil - falls überhaupt eine Wirkung erzielt wird - eher verstärkt.
Im allgemeinen werden bei Giessverfahren dann bessere Ergebnisse erzielt, wenn das Leichtmetall auf einen zuvor durch Heiss tauchen hergestellten überzug gegossen wird. Man hat jedoch gefunden, dass die Grenzflächen-Legie- rungsschicht mechanisch schwächer ist. Zum Bei spiel zeigt sich bei Aluminiumkolben mit Gusseisen- einlagen ein Bruch der Bindung entweder sofort nach der Herstellung oder nach einer sehr kurzen Be triebszeit. In ungewöhnlichen Fällen kann sich der Eisenkörper gänzlich von dem umgebenden Leicht metallguss loslösen.
Meistens bricht die Bindung anfangs nur teilweise, wobei die Bruchstellen aber dazu neigen, sich während des Gebrauches des Gegen standes zu vergrössern. Beim erfindungsgmässen Verfahren wird, wie ge sagt, auf dem eisernen Körper durch Elektroplat- tierung ein Metallüberzug, z. B. aus Zinn, Zink oder Cadmium angebracht, durch den die Netzbarkeit ge fördert wird; das Heisstauchen fällt jedoch weg. Es erfolgt rasche Benetzung, wenn das geschmolzene Leichtmetall auf den Eisenkörper gegossen wird; jedoch scheint sich der charakteristische Legierungs überzug des Heiss-Tauchverfahrens nicht zu bilden.
In manchen Fällen ist kein Legierungsüberzug sicht bar, wenn der zusammengesetzte Gegenstand aufge schnitten, geätzt und unter dem Mikroskop betrach tet wird. In anderen Fällen scheint die Dicke der Grenzflächen-Legierungsschicht nicht nur verringert zu sein, sondern diese Schicht scheint auch eine andere Form oder Struktur aufzuweisen. Die Be schaffenheit der Bindung ist wesentlich verbessert.
Der günstigste Grad der Vorwärmung des in der Form befindlichen Eisenkörpers hängt natürlich unter anderem von seinen Ausmassen und dem Verhältnis der Menge des zu giessenden Leichtmetalles zur Grösse des Eisenkörpers ab; der Körper wird jeden falls auf eine unter dem Schmelzpunkt des geschmol zenen überzugsmetalles liegende Temperatur erhitzt. Dies scheint einmal dazu zu führen, dass sich neben der Grenzflächen-Legierungsschicht oder an deren Stelle eine Zone bildet, in der legierende Bestand teile des geschmolzenen Leichtmetalles in sehr fein verteiltem Zustand niedergeschlagen werden.
Ohne eine bindende Theorie aufstellen zu wollen, wird an genommen, dass dieser Effekt auf der Abkühlung des an den Einsatz oder Körper grenzenden, geschmol zenen Leichtmetalles beruht, und dass die Bildung einer Zone aus feinem Niederschlag die Beschaffen heit der Bindung wesentlich verbessert. Damit soll darauf hingewiesen werden, dass, während man mit einem hochlegierten Leichtmetall (z. B. Aluminium, das grosse Mengen an Silicium und@loder anderen Metallen enthält) bei der Herstellung einer zufrieden stellenden Bindung an Eisen im allgemeinen auf grössere Schwierigkeiten stösst, sich offenbar eine wesentlich bessere Bindung bildet, wenn die vor stehend genannte Zone feinen Niederschlags vorhan den ist.
Das Leichtmetall oder die Leichtmetall- legierung wird, wie gesagt, so zugegossen, dass es um die Oberfläche des Eisens strömt. Wiederum ohne Anspruch auf Gültigkeit der Theorie wird an genommen, dass durch diese Spülung die Oxyd schichten losgelöst werden, die praktisch immer auf den Oberflächen von geschmolzenem Aluminium und Magnesium und deren Legierungen existieren, auch wenn über den plattierten Oberflächen des Eisen körpers eine nicht oxydierende Atmosphäre aufrecht erhalten wird.
Man nimmt an, dass durch die Spül wirkung die Oberflächen des Eisenkörpers von ein geschlossenen Gasen befreit und alle auf der Ober fläche des geschmolzenen Leichtmetalles befindlichen Oxyde entfernt werden, wodurch eine direkte Be rührung von Metall' zu Metall zustande kommt und sich eine Lösung dazwischen bildet.
Es ist nicht bekannt, ob die Spülwirkung in irgendeiner Weise die Bildung der Grenzflächen- legierung beeinflusst, oder inwieweit diese durch die Bildung der Zone feinen Niederschlags beeinträchtigt wird, oder ob die Grenzflächenleg-ierung nur durch den Guss des geschmolzenen Leichtmetalles auf die im Verhältnis dazu kühleren Oberflächen des Eisen körpers verringert oder gar beseitigt wird. Jedenfalls ergab eine Untersuchung von nach dem erfindungs gemässen Verfahren erhaltenen Grenzflächen zwischen dem gegossenen Metall und dem Eisenkörper, dass die Bildung z.
B. einer Eisen-Aluminium-Legierung gehemmt, manchmal sogar gänzlich unterdrückt wird und in anderen Fällen auf einen Grad herabgemin dert wird, den man bisher durch die bekannten Ver fahren, in denen die entsprechenden Metalle ver wendet werden, nicht erreichen konnte.
Die vorstehend genannte Fliess- oder Spülungs wirkung kann auf verschiedene Weise erzielt werden. Sie hängt teilweise von der Beschaffenheit der herzu stellenden, zusammengesetzten Gegenstände ab. In einigen Fällen ist es möglich, die Zuleitung und Steig leitung der Form so anzubringen, dass das gesamte Metall, das in die Form gelangt, zuerst über die Ober flächen des Eisenkörpers oder -einsatzes fliessen muss. Manchmal kann man auch die Spülwirkung dadurch erreichen, dass man das geschmolzene Metall bis zu dessen Erstarrung stark bewegt, so dass es über die Oberflächen des Eisenkörpers fliesst.
In den meisten Fällen kann man am besten eine ausreichende Spül wirkung erreichen, wenn man, nachdem die Form gefüllt ist, weiterhin Metall einströmen lässt, so dass überschüssiges Metall aus den Steigleitungen tritt.
Wenn das Gussmetall über die plattierte Einlage oder den Eisenkörper hinströmt, beginnt das plattierte Metall, das einen niedrigeren Schmelzpunkt als das geschmolzene Gussmetall hat, zu fliessen und mit dem Metall an der Oberfläche des Eisenkörpers eine Bin dung einzugehen.
Das geschmolzene Gussmetall, das schliesslich auf den Eisenkörper gelangt, ist das heisseste Metall im Gussstück. Dadurch wird die Absorption des plat- tierten Metalles durch das Gussmetall begünstigt und wahrscheinlich die potentielle Fehlerquelle in der Verbindungszone beseitigt.
Zur Erzielung einer besonders guten Verbindung kann man zusätzlich zu den genannten Massnahmen die Eiseneinlage mit einem luftgetriebenen Vibrator direkt verbinden und mit Beginn des Leichtmetall gusses in mechanische Schwingungen einer Frequenz von etwa 1000 bis mehreren tausend Perioden pro Minute und einer Amplitude von etwa 0,20 bis 0,25 mm versetzen. Mit beginnender Erstarrung des Metalles wird die Schwingungserzeugung im allge meinen eingestellt.
In den folgenden Beispielen wird das erfindungs gemässe Verfahren den bisherigen Verfahren gegen übergestellt. Die Fig. 6 und 7 sind typische, 250fach vergrösserte mikrophotographische Aufnahmen ver schiedener Strukturen. In jeder der beiden Figu- ren besteht die untere Schicht aus Gusseisen und die obere Schicht aus Aluminium. Zwischen den bei den Schichten entdeckt man eine scharf abgesetzte Legierungsschicht, die in Fig.7 sehr dick ist.
In beiden Fällen wurde der gusseiserne Körper mit Zinn elektroplattiert und dann durch Eintauchen in ein Bad aus geschmolzenem, stark siliciumhaltigem Alu minium mit einem überzug versehen. Anschliessend wurde eine Aluminiumlegierung mit hohem Silicium- gehalt auf die heisse überzogene Oberfläche des in einer Form befindlichen Körpers gegossen.
Die Alu miniumlegierung enthielt 21 bis<B>23%</B> Silicium und kleine Mengen an Nickel, Kupfer, Vanadium und Magnesium und bestand restlich aus Aluminium. Die Legierung ist unter der Bezeichnung Vanasil (Mar kenprodukt) bekannt und erweist sich auf Grund ihrer Wärmeausdehnungseigenschaften als geeignet für die Herstellung von Kolben für Verbrennungsmotoren. Es wird noch darauf hingewiesen,
dass legierende Be- standteile des geschmolzenen überzugsmetalles in grossen Mengen benachbart und manchmal sogar tat sächlich innerhalb der Grenzflächenlegierungsschicht niedergeschlagen werden.
Die in Fig. 6 und 7 veranschaulichten Bindungen erwiesen sich jedoch als mangelhaft. <I>Beispiel 1</I> Ein zylindrisches Rohr mit verschiedenen Durch messern von etwa 4,5 bis etwa 7,6 cm aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt von einer Dicke von 0,38 mm wurde in einem Wasserstoffofen blank geglüht und mit Zinn in einem üblichen alkalischen Zinnplattierungsbad 0,0051 mm dick über der äusseren Oberfläche plattiert. In die Enden des Roh res brachte man verbackenen Sand,, um sie zu füllen und sie in einer äusseren Form, die ebenfalls aus verbackenem Sand bestand, zu halten.
Das auf 250 C erwärmte Rohr wurde in die Sandform gebracht, die solche Öffnungen besass, dass das zugiessende Metall durch und um die mit Zinn plattierte Röhre fliessen und oben aus der Form austreten konnte. Eine Aluminiumlegierung (Alcoa 355) wurde bei einer Temperatur von 7500 C so in die Öffnung gegossen, dass sie während etwa 10 bis 20 Sekunden über die Oberfläche des Rohres fliessen konnte. Nach Erstarrung des Gusses stellte man fest, dass sich eine ausgezeichnete Verbindungsstelle ge bildet hatte.
Eine Schnittfläche des zusammengesetzten Gegen standes, die mit Nital geätzt wurde, ist in Fig. 4 ge zeigt. Wieder besteht die untere Schicht aus Stahl, die obere aus der Aluminiumlegierung und die mitt lere Schicht aus einer legierten Bindung. Vergleicht man Fig. 4 mit Fig. 7, so stellt man fest, dass die Dicke der legierten Bindungsschicht wesentlich verringert ist und keine unregelmässige Durchdringung der Unter lage stattgefunden hat, wie dies bei Stahl mit niedri gem Kohlenstoffgehalt gewöhnlich eintritt.
Bei diesem Gegenstand ist kein Anzeichen einer Zone feinen Niederschlages zu erkennen. Dies schreibt man der Tatsache zu, dass die verwendete Aluminiumlegie- rung nur 5 /o Silicium, 1,3 % Kupfer und 0,5 o/a Ma- gnesium enthielt, wobei der Rest, abgesehen von den normalen Verunreinigungen, aus Aluminium bestand.
Man wird sehen, dass hier auch keine Anzeichen von grobkörnigem Niederschlag vorliegen.
<I>Beispiel 2</I> Ein Grey-Eisenring mit einem äusseren Durch messer von 13,3 cm, einem inneren Durchmesser von 10,8 cm und einer Dicke von 9,5 mm wurde. in einem alkalischen Zinnbad (Natriumstannat) 0,0038 Millimeter dick mit Zinn plattiert. Man brachte ihn in eine Eisenform, die zuvor auf eine Temperatur von 316-372 C erhitzt worden war.
Nachdem die Temperatur des Ringes selbst auf etwa 250 C ge stiegen war, goss man die geschmolzene Aluminium legierung mit hohem Siliciumgehalt mit einer Tem peratur von etwa 830 C so über die Oberflächen des Ringes, an denen man eine Bindung herstellen wollte, dass das geschmolzene Metall 5 bis 10 Sekunden darüberfloss. Diese für einen Kolbenring bestimmte Einlage wurde eine Stunde lang in einen elektrischen Wärmeofen gebracht, der eine Temperatur von 515 C hatte, anschliessend in einem Luftstrom ge kühlt,
3 Stunden lang in einem elektrischen Ofen mit einer Temperatur von 155 C gehalten und dann lang sam auf Zimmertemperatur abgekühlt.
Fig. 1 zeigt die entstandene Bindung und dient als Beispiel einer fast vollkommenen Steuerung der Bindung. Die herausgeschnittene Probe wurde mit Nital geätzt und bei 250facher Vergrösserung unter sucht. Die untere Schicht stellt die Gusseiseneinlage dar, die obere die Aluminiumlegierung; eine Zone feinen Niederschlags ist zwischen den beiden Schich ten deutlich sichtbar. Die verwendete Aluminium legierung war das vorstehend genannte Vanasil . In der Probe ist die typische Grenzflächenlegierungs- schicht aus Eisen und Aluminium nicht zu erkennen.
Dafür liegt über dem Eisen eine Aluminiumschicht, in der die legierenden Bestandteile in sehr feiner Verteilung ausgefällt sind. <I>Beispiel 3</I> Fig. 2 zeigt eine 250fach vergrösserte mikrophoto graphische Aufnahme eines Schnittes von gleicher Struktur, der einer ähnlichen Behandlung unterzogen wurde, wie in Beispiel 2 beschrieben, wobei aber die Bedingungen nicht so sorgfältig eingehalten wurden. Auch hier wurde Vanasil auf einen mit Zinn elek- troplattierten, eisernen Einsatzring gegossen.
In dem speziellen Schnitt wird eine dünne Schicht einer erkennbaren Grenzflächenlegierung gezeigt, die über der unteren Eisenschicht liegt. Darüber jedoch ist eine Zone feinen Niederschlages, in der die legieren den Bestandteile in fein verteilter Form vorliegen, genau zu erkennen. Die bei dem in Fig. 2 im Schnitt wiedergegebene Bindung des Gegenstandes wurde geprüft und erwies sich dabei als äusserst zufrieden stellend.
Aus Fig. 2 geht hervor, dass verhältnismässig ge ringfügige Änderungen der Temperatur oder der Menge und der Dauer des Metallflusses über eine Oberfläche, mit der eine Bindung hergestellt werden soll, sichtbare Veränderungen der Verbindung her vorrufen. Ferner können in verschiedenen Teilen einer bestimmten Form oder in verschiedenen Oberflächen bereichen einer Einlage Änderungen der Temperatur und der Menge des vorbeiströmenden, geschmolzenen Metalles auftreten, die zu sichtbaren Unterschieden in der Bindung führen.
Die besten Ergebnisse scheint man dann zu erzielen, wenn der eiserne Einsatz oder Körper in Anwesenheit eines inerten oder reduzie renden Gases wie Argon, Helium oder Wasserstoff so erhitzt wird, dass der Zinn-, Zink- oder Cadmium überzug auf seiner Oberfläche flüssig wird, und wenn die grösstmögliche Menge an geschmolzenem Leicht metall oder an Legierungen über die Oberflächen des Einsatzes oder Körpers fliesst. Selbst unter Berück sichtigung der erwähnten Veränderungen wird er findungsgemäss eine Bindung hergestellt, die in mechanischer Hinsicht zufriedenstellend und jeder durch andere Verfahren bisher hergestellten Bindung weitaus überlegen ist.
<I>Beispiel 4</I> Ein zusammengesetzter Gegenstand wurde nach dem in Beispiel 2 beschriebenen Verfahren herge stellt, abgesehen davon, dass der gusseiserne Körper nicht mit Zinn, sondern mit Cadmium elektroplat- tiert wurde und die darauf aufgegossene Aluminium- legierung nur 12% Silicium enthielt anstelle von 21 bis 23 %, dem vorstehend genannten Vanasil eigenen Prozentsatz;
Fig.3 zeigt einen mit Nital geätzten Schnitt von 250facher Vergrösserung. Die untere Schicht besteht aus Gusseisen, die obere aus der Aluminiumlegierung. Zwischen den beiden tritt eine Grenzflächenlegierung schwach hervor. Trotz des niedrigen Siliciumgehaltes ist eine Zone feinen Nie derschlags deutlich sichtbar. Die Verbindung war gut.
<I>Beispiel 5</I> Zwei bogenförmige Stahlbleche von etwa 2,54 mm Dicke wurden mit Zinn etwa 0,0025 mm dick elektro- plattiert und in eine Form gebracht neben ein Schmiedestück aus einer Aluminiumlegierung, das zuvor in einer Argon- oder Heliumatmosphäre auf eine Temperatur von etwa 55 C unterhalb des Schmelzpunktes der Aluminiumlegierung vorerhitzt worden war. Die Temperatur der Stahlbleche stellt sich auf etwa 300 C ein.
Eine geschmolzene Alu miniumlegierung von der gleichen Beschaffenheit wie das Schmiedestück wurde bei einer Temperatur von etwa 760 C so in die Form gegossen, dass sie über die mit Zinn plattierten Oberflächen der Eisenkörper floss, wobei sie den Raum zwischen den Blechen und dem vorerhitzten Schmiedestück ausfüllte und beide gleichzeitig verband. Die Aluminiumlegierung war eine 7-5-Legierung, das heisst sie enthielt 5 % Sili cium, 7% Kupfer und 0,5% Nickel. Die Verbindung war gut.
<I>Beispiel 6</I> Eine Eiseneinlage wurde mit Zink elektroplattiert und dann in einer schützenden Atmosphäre (um die Oxydation der plattierten Schicht gering zu halten) auf eine etwas über dem Schmelzpunkt des Zinks lie gende Temperatur erhitzt. Eine Aluminiumlegierung mit 5 % Silicium, 71/1o Kupfer und<B>0,5%</B> Nickel wurde bei einer Temperatur von 746 C über die Einlage gegossen. Da sich auf der Oberfläche der elektro- plattierten Schicht keine Oxyde befanden, wurde in diesem Fall die Form nicht überfüllt.
Fig. 5 zeigt einen mit Nital geätzten Schnitt durch die Einlage und die benachbarte Aluminiumlegierung (250fache Vergrösserung). Hierbei ist keine Zone feinen Niederschlages zu erkennen; wenn auch un regelmässig, so. tritt doch eine scharf abgesetzte Grenz- flächen-Legierungsschicht hervor. Obgleich die Ver bindung nicht so gut war wie die beispielsweise in Fig. 1 gezeigte, so war sie doch besser als die durch die bisherigen Heiss-Tauchverfahren hergestellten Bin dungen.
Die in den vorstehenden Beispielen wiedergege benen Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens lassen sich vorteilhaft verbessern, indem man der Eiseneinlage der Gussstückc in der bereits erwähnten Weise während des Giessens mechanische Schwingungen erteilt.
Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, dass zwischen einem Eisenkörper und einem gegos senen Leichtmetall bessere Bindungen hergestellt wer den können, wenn anstelle des Heisstauchens das Leichtmetall nach dem erfindungsgemässen Verfah ren aufgebracht wird.
Ein plattierter Überzug aus Zinn, Zink, Cadmium oder dergleichen fördert die Benetzbarkeit, aber reicht ohne die bereits beschrie bene Umspülung nicht aus, um eine gute Verbin dung mit dem gegossenen Leichtmetall zu liefern. Die Vorwärmung des Eisenkörpers in einer nicht oxydierenden oder reduzierenden Atmosphäre trägt offenbar dazu bei, den Mangel an Benetzbarkeit, der auf zwischen dem geschmolzenen Leichtmetall und dem eisernen Körper.befindliche Oxyde zurückzu führen ist, zu beheben. Sowohl die Vorerwärmung wie die Umspülung sind also an der Entfernung der Oxyde beteiligt.
Da aber auf Grund der Umspü lung eine bessere Bindung hergestellt wird als dann, wenn das geschmolzene Leichtmetall einfach auf die plattierte Oberfläche des Eisenkörpers gegossen wird, auch wenn diese in einer reduzierenden Atmosphäre behandelt und dadurch geschützt wurde, wird die Umspülung als hauptsächliches, billiges und äusserst wirksames Mittel zur Beseitigung der Oxydschichten, die die Benetzung verhindern, angesehen. Die bereits dargelegten, besonders bevorzugten Bedingungen füh ren zu einer neuen Art der Verbindung, die sich durch eine Verminderung, in einigen Fällen sogar durch eine Vermeidung der Grenzflächen-Legierung aus zeichnet.
Eine Abkühlung des geschmolzenen Metalles auf Grund der niedrigeren Temperatur des Eisen körpers fördert die Herstellung der Verbindung, da dadurch in dem Leichtmetall ein feinverteilter Nieder schlag aus legierenden Bestandteilen entsteht. Dies ist dann besonders wertvoll, wenn die Menge der legie renden Bestandteile, wie Silicium, Kupfer, Nickel, Vanadium und dergleichen gross ist.
Die Temperatur des Eisenkörpers darf unter Berücksichtigung seiner Masse nicht so niedrig sein, dass die Temperatur des plattierten Überzuges aus Zinn, Cadmium oder Zink durch die Wärme des geschmolzenen Leichtmetalles nicht über dessen Schmelzpunkt erhöht werden könnte. Unter Beachtung dieser unteren Begrenzung scheint es jedoch vorteilhaft zu sein, möglichst nied rige Vorwärmungstemperaturen des Eisenkörpers an zuwenden und nicht Temperaturen, die der des ge schmolzenen überzugsmetalles naheliegen.
In den geätzten Proben ist eine Zone feinen Niederschlages nur dann sichtbar, wenn die Menge der vorhandenen legierenden Bestandteile entsprechend gross ist. Es kann jedoch angenommen werden, dass die Bildung des feinen Niederschlages aus legierenden Bestand teilen auch bei recht kleinen Mengen wertvoll und die Abkühlwirkung mindestens bis zu einem Gehalt von 5 % Silicium oder weniger lohnend ist.
The present invention relates to a method for the production of objects composed of iron and iron alloys and light metals or light metal alloys, for. B. aluminum forgings or castings with steel or cast iron insert. .
It has already been proposed to manufacture pistons made of aluminum with annular, grooved cast iron inserts that receive the piston rings when the piston is in operation. So far, there have been great difficulties in producing a satisfactory and sufficiently permanent connection between the aluminum and the iron.
Attempts have been made to ensure such a bond by mechanical roughening, knurling or grooving the iron inserts, but have not achieved satisfactory results. It was suggested that the iron insert be the first. to be coated by immersion in a hot aluminum bath. In this context, various preliminary coatings have also been proposed for the iron made of metals, which are wetted more quickly by the liquid aluminum.
One purpose of the invention is to provide an easy-to-use and economical process for producing a good bond between a body made of iron or iron alloys and light metals or light metal alloys cast thereon.
The inventive method for the production of objects that are composed of a body made of iron or an iron alloy and a light metal or a light metal alloy, in which method the said body is electroplated with a metal that is wetted by the light metal better than the iron or The iron alloy, and then inserted into a casting mold into which the light metal or the light metal alloy is cast, is characterized in that the electroplated body is brought to a temperature that is below the melting point of the light metal or
the light metal alloy is, on the other hand, however, is sufficient to liquefy the plating metal, and that when pouring the light metal or the light metal alloy into the casting mold, the liquid metal flows over the surface of the body for some time.
In addition to these measures, the body can generate a mechanical vibration of z. B. 1000 to several thousand periods and an amplitude of 0.20 to 0.25 mm, as described in U.S. Patent No. 2,797,460 be.
The main light metals are magnesium, aluminum, alloys of magnesium and aluminum and aluminum alloys, which mainly consist of aluminum, but can also contain other metals such as silicon, copper, nickel, iron, and vanadium. Said body (hereinafter referred to as iron body for short) can, for. B. made of iron, mild steel and cast iron, with or without the alloy components often found in such materials.
As metals that are more easily wetted by the light metal or the light metal alloy than the iron body, z. B. zinc, tin and cadmium in question. With regard to the nature of the metal bond, reference is made to the accompanying FIGS. 1 to 7, which show photomicrographs of structures in which aluminum is verbun with iron.
It is known that aluminum and other light metals do not sufficiently wet the surface of iron in the hot-dip process if it is covered with an oxide layer. In such a process it is necessary to maintain contact between the molten metal and the iron until the oxide has dissolved or reduced. Only then does the wetting and the formation of an interface alloy take place.
It has been proposed to ease this condition by first coating the iron with a metal whose melting point is lower than that of the light metal and which is more easily wetted by the light metal than iron. Such metals are generally tin, zinc and cadmium. If one of these metals is applied to iron wire before the hot dip process; Plated or otherwise deposited on iron strips or other iron objects, this results in faster wetting with a shorter immersion time. reached.
The result. immersion, however, is the formation of a light metal coating on the iron body, as well as a sharply defined interface alloy layer. In the case of a tin coating on iron, which is then hot-dipped in aluminum, the interfacial alloy layer probably consists of an alloy of tin, iron and aluminum. The alloy layer is somewhat rough on the side facing the light metal, but generally appears relatively smooth and sharp on the side bordering the iron.
In the above-mentioned method, an iron body is first dipped into the molten light metal; then it is placed in a mold and additional light metal is poured onto it. By pouring additional light metal in the molten state onto the coating previously produced by hot upsetting, the interface alloy layer is not reduced, but on the contrary - if an effect is achieved at all - rather reinforced.
In general, better results are achieved in casting processes when the light metal is cast on a coating previously produced by hot dipping. However, it has been found that the interface alloy layer is mechanically weaker. In the case of aluminum pistons with cast iron inserts, for example, the bond breaks either immediately after manufacture or after a very short period of operation. In unusual cases, the iron body can become completely detached from the surrounding light metal casting.
Most of the time, the bond only partially breaks at first, but the break points tend to enlarge during use of the item. In the method according to the invention, as stated above, a metal coating, eg by electroplating, is applied to the iron body. B. made of tin, zinc or cadmium attached, through which the networkability ge is promoted; however, there is no hot dipping. Rapid wetting occurs when the molten light metal is poured onto the iron body; however, the characteristic alloy coating of the hot dipping process does not appear to form.
In some cases, no coating of alloy is visible when the assembled item is cut open, etched, and viewed under a microscope. In other cases, not only does the thickness of the interfacial alloy layer appear to be reduced, but that layer also appears to have a different shape or structure. The quality of the bond is significantly improved.
The most favorable degree of preheating of the iron body in the mold depends, among other things, on its dimensions and the ratio of the amount of light metal to be cast to the size of the iron body; the body is in any case heated to a temperature below the melting point of the molten coating metal. This seems to lead to the formation of a zone next to the interface alloy layer or in its place in which the alloying constituents of the molten light metal are precipitated in a very finely divided state.
Without wishing to establish a binding theory, it is assumed that this effect is based on the cooling of the molten light metal adjoining the insert or body, and that the formation of a zone of fine precipitation improves the nature of the bond significantly. This is intended to point out that while a high-alloy light metal (e.g. aluminum, which contains large amounts of silicon and other metals) generally encounters greater difficulties in producing a satisfactory bond to iron apparently a much better bond forms when the above-mentioned zone is fine precipitation.
As mentioned, the light metal or light metal alloy is poured in such a way that it flows around the surface of the iron. Again without claim to validity of the theory, it is assumed that this rinsing removes the oxide layers that practically always exist on the surfaces of molten aluminum and magnesium and their alloys, even if there is a non-oxidizing atmosphere over the plated surfaces of the iron body is maintained.
It is assumed that the flushing action frees the surfaces of the iron body from closed gases and all oxides on the surface of the molten light metal are removed, whereby a direct contact from metal to metal comes about and a solution forms between them .
It is not known whether the flushing effect in any way affects the formation of the interface alloy, or to what extent this is impaired by the formation of the zone of fine precipitation, or whether the interface alloy is only affected by the casting of the molten light metal on the relative thereto cooler surfaces of the iron body is reduced or even eliminated. In any case, an examination of the interfaces obtained by the fiction, contemporary process between the cast metal and the iron body showed that the formation of z.
B. an iron-aluminum alloy is inhibited, sometimes even completely suppressed, and in other cases it is mitigated to a degree that could not be achieved so far by the known Ver in which the corresponding metals are used.
The above-mentioned flow or flushing effect can be achieved in various ways. It depends in part on the nature of the assembled objects to be produced. In some cases it is possible to attach the lead and riser of the mold in such a way that all of the metal that enters the mold must first flow over the surfaces of the iron body or insert. Sometimes the flushing effect can also be achieved by moving the molten metal vigorously until it solidifies, so that it flows over the surface of the iron body.
In most cases, the best way to achieve sufficient flushing action is to continue to let metal flow in after the mold is filled so that excess metal comes out of the risers.
When the cast metal flows over the plated insert or iron body, the plated metal, which has a lower melting point than the molten cast metal, begins to flow and bond with the metal on the surface of the iron body.
The molten cast metal that finally reaches the iron body is the hottest metal in the casting. This promotes the absorption of the plated metal by the cast metal and probably eliminates the potential source of defects in the connection zone.
To achieve a particularly good connection, in addition to the measures mentioned, the iron insert can be connected directly to an air-powered vibrator and, with the start of the light metal casting, mechanical vibrations at a frequency of about 1000 to several thousand periods per minute and an amplitude of about 0.20 to Offset 0.25 mm. As the metal begins to solidify, the generation of vibrations is generally stopped.
In the following examples, the process according to the invention is compared with the previous process. 6 and 7 are typical photomicrographs, enlarged 250 times, of various structures. In each of the two figures, the lower layer consists of cast iron and the upper layer of aluminum. Between the two layers one discovers a sharply defined alloy layer, which is very thick in Fig. 7.
In both cases, the cast iron body was electroplated with tin and then coated with a coating by immersion in a bath of molten, high-silicon aluminum. An aluminum alloy with a high silicon content was then poured onto the hot, coated surface of the body located in a mold.
The aluminum alloy contained 21 to <B> 23% </B> silicon and small amounts of nickel, copper, vanadium and magnesium and the remainder was aluminum. The alloy is known as Vanasil (branded product) and, due to its thermal expansion properties, is suitable for the manufacture of pistons for internal combustion engines. It is also pointed out
that alloying constituents of the molten coating metal are deposited in large quantities adjacent and sometimes actually actually within the interface alloy layer.
However, the bonds illustrated in Figures 6 and 7 were found to be deficient. <I> Example 1 </I> A cylindrical tube with various diameters from about 4.5 to about 7.6 cm made of low carbon steel and a thickness of 0.38 mm was bright annealed in a hydrogen furnace and coated with tin Plated in a conventional alkaline tin plating bath 0.0051 mm thick above the outer surface. Baked sand was brought into the ends of the pipe in order to fill them and to hold them in an outer shape, which also consisted of baked sand.
The tube, heated to 250 ° C., was placed in the sand mold, which had openings such that the metal being poured in could flow through and around the tin-plated tube and emerge from the top of the mold. An aluminum alloy (Alcoa 355) was poured into the opening at a temperature of 7500 C so that it could flow over the surface of the tube for about 10 to 20 seconds. After the cast had solidified, it was found that an excellent joint had formed.
A cut surface of the composite article, which was etched with Nital, is shown in Fig. 4 GE. Again, the lower layer is made of steel, the upper layer of aluminum alloy and the middle layer of an alloyed bond. Comparing FIG. 4 with FIG. 7, it can be seen that the thickness of the alloyed binding layer is significantly reduced and no irregular penetration of the substrate has taken place, as usually occurs with steel with a low carbon content.
There is no evidence of a fine precipitation zone on this item. This is attributed to the fact that the aluminum alloy used only contained 5 / o silicon, 1.3% copper and 0.5 o / a magnesium, the remainder, apart from the normal impurities, being aluminum.
It will be seen that there are no signs of coarse-grain precipitation here either.
<I> Example 2 </I> A gray iron ring with an outer diameter of 13.3 cm, an inner diameter of 10.8 cm and a thickness of 9.5 mm was used. Plated 0.0038 millimeters thick with tin in an alkaline tin bath (sodium stannate). It was placed in an iron mold that had previously been heated to a temperature of 316-372 C.
After the temperature of the ring itself had risen to about 250 C ge, the molten aluminum alloy with a high silicon content at a temperature of about 830 C was poured over the surfaces of the ring to which one wanted to create a bond that the molten metal 5 to 10 seconds flowed over it. This insert, intended for a piston ring, was placed in an electric heating furnace at a temperature of 515 C for one hour, then cooled in a stream of air,
Maintained in an electric oven at a temperature of 155 ° C. for 3 hours and then slowly cooled to room temperature.
Fig. 1 shows the resulting bond and serves as an example of almost complete control of the bond. The excised sample was etched with Nital and examined at 250x magnification. The lower layer represents the cast iron insert, the upper layer the aluminum alloy; a zone of fine precipitation is clearly visible between the two layers. The aluminum alloy used was the aforementioned Vanasil. The typical interface alloy layer of iron and aluminum cannot be seen in the sample.
For this purpose, there is an aluminum layer over the iron, in which the alloying components are precipitated in a very fine distribution. <I> Example 3 </I> FIG. 2 shows a photomicrograph, enlarged 250 times, of a section of the same structure which was subjected to a treatment similar to that described in Example 2, but the conditions were not so carefully observed. Here too, Vanasil was poured onto an iron insert ring that was electroplated with tin.
In the particular section, a thin layer of a recognizable interface alloy is shown overlying the lower iron layer. Above it, however, a zone of fine precipitation, in which the alloying components are present in finely divided form, can be clearly seen. The binding of the object shown in section in FIG. 2 was tested and proved to be extremely satisfactory.
From Fig. 2 it can be seen that relatively small changes in temperature or the amount and duration of metal flow over a surface to be bonded to cause visible changes in the bond. Furthermore, changes in the temperature and the amount of molten metal flowing past can occur in different parts of a certain shape or in different surface areas of an insert, which lead to visible differences in the bond.
The best results seem to be achieved when the iron insert or body is heated in the presence of an inert or reducing gas such as argon, helium or hydrogen so that the tin, zinc or cadmium coating on its surface becomes liquid, and when the greatest possible amount of molten light metal or alloys flows over the surfaces of the insert or body. Even taking into account the changes mentioned, according to the invention, a bond is produced which is mechanically satisfactory and which is far superior to any bond produced by other methods to date.
<I> Example 4 </I> A composite object was produced according to the method described in Example 2, except that the cast iron body was electroplated not with tin but with cadmium and the aluminum alloy cast on it was only 12 % Silicon contained instead of 21-23%, Vanasil's own percentage above;
3 shows a section etched with Nital, magnified 250 times. The lower layer is made of cast iron, the upper one of aluminum alloy. An interface alloy faintly protrudes between the two. Despite the low silicon content, a zone of fine precipitation is clearly visible. The connection was good.
<I> Example 5 </I> Two arched steel sheets about 2.54 mm thick were electroplated with tin about 0.0025 mm thick and placed in a mold next to a forging made of an aluminum alloy, which was previously in an argon or Helium atmosphere had been preheated to a temperature of about 55 C below the melting point of the aluminum alloy. The temperature of the steel sheets is around 300 ° C.
A molten aluminum alloy of the same nature as the forging was poured into the mold at a temperature of about 760 C so that it flowed over the tin-plated surfaces of the iron bodies, filling the space between the sheets and the preheated forging and connected both at the same time. The aluminum alloy was a 7-5 alloy, that is, it contained 5% silicon, 7% copper and 0.5% nickel. The connection was good.
<I> Example 6 </I> An iron insert was electroplated with zinc and then heated to a temperature slightly above the melting point of the zinc in a protective atmosphere (in order to keep the oxidation of the plated layer low). An aluminum alloy with 5% silicon, 71/1 ° copper and <B> 0.5% </B> nickel was poured over the insert at a temperature of 746 ° C. In this case, since there were no oxides on the surface of the electroplated layer, the mold was not overfilled.
FIG. 5 shows a section etched with Nital through the insert and the adjacent aluminum alloy (250 times magnification). No zone of fine precipitation can be seen here; albeit irregularly, so. a sharply defined interface alloy layer emerges. Although the connection was not as good as that shown, for example, in FIG. 1, it was better than the connections made by the previous hot-dip processes.
The embodiments of the method according to the invention reproduced in the above examples can advantageously be improved by imparting mechanical vibrations to the iron insert of the casting in the manner already mentioned during the casting.
It can be seen from the above that better bonds can be produced between an iron body and a cast light metal if, instead of hot upsetting, the light metal is applied according to the method according to the invention.
A plated coating of tin, zinc, cadmium or the like promotes wettability, but is not sufficient without the already described flushing to provide a good connec tion with the cast light metal. The preheating of the iron body in a non-oxidizing or reducing atmosphere apparently helps to remedy the lack of wettability, which is due to the oxides between the molten light metal and the iron body. Both preheating and rinsing are involved in removing the oxides.
But since a better bond is produced due to the Umspü treatment than if the molten light metal is simply poured onto the plated surface of the iron body, even if this was treated in a reducing atmosphere and thus protected, the Umspüung is the main, cheap and extremely effective means of removing the oxide layers that prevent wetting. The particularly preferred conditions set out above lead to a new type of connection which is characterized by a reduction, in some cases even by avoidance of the interface alloy.
A cooling of the molten metal due to the lower temperature of the iron body promotes the production of the connection, as this creates a finely divided precipitate of alloying components in the light metal. This is particularly valuable when the amount of the alloying constituents such as silicon, copper, nickel, vanadium and the like is large.
Taking into account its mass, the temperature of the iron body must not be so low that the temperature of the plated coating of tin, cadmium or zinc cannot be increased above its melting point by the heat of the molten light metal. Taking this lower limit into account, however, it seems to be advantageous to apply preheating temperatures of the iron body as low as possible and not temperatures that are close to that of the molten coating metal.
In the etched samples, a zone of fine precipitate is only visible if the amount of alloying constituents present is correspondingly large. However, it can be assumed that the formation of the fine precipitate from alloying constituents is valuable even with very small amounts and that the cooling effect is worthwhile at least up to a silicon content of 5% or less.