DD276109A5

DD276109A5 - Maschinenteil, insbesondere pleuelstange aus einer aluminiumlegierung und verfahren fuer dessen herstellung

Info

Publication number: DD276109A5
Application number: DD88322655A
Authority: DD
Inventors: Jean-Francois Faure
Original assignee: ��@��@��@��@��@�}��@��k��
Priority date: 1987-12-07
Filing date: 1988-12-05
Publication date: 1990-02-14
Also published as: PL276247A1; JPH0617550B2; FI885657A; KR890010260A; EP0320417B1; BR8806421A; EP0320417A1; HUT50885A; JPH01198444A; ES2024044B3; FI885657A0; DK679288D0; CN1034585A; FR2624137B1; ATE66023T1; IL88586A0; DE3864128D1; YU220988A; DK679288A; US4923676A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Maschinenteil aus Aluminiumlegierung, insbesondere eine Pleuelstange mit verbesserter Dauerfestigkeit und ein Verfahren fuer dessen Herstellung. Diese Teile bestehen aus einer Legierung mit 11 bis 22 Gew.-% Silicium, 2 bis 5 Gew.-% Eisen, 0,5 bis 4 Gew.-% Kupfer, 0,2 bis 1,5 Gew.-% Magnesium, deren Besonderheit der Gehalt an 0,4 bis 1,5% Zirconium ist. Das Herstellungsverfahren besteht darin, dass die Legierung in geschmolzenem Zustand einem schnellen Erstarrungsmittel ausgesetzt, in Form gebracht wird und eine Waermebehandlung zwischen 480 und 530C mit anschliessendem Haerten in Wasser und Anlassen zwischen 150 und 200C erfaehrt. Diese Teile finden ihre Anwendung vor allem in Form von Pleuelstangen und Kolbenbolzen.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft oin Maschinenteil, insbesondere eine Pleuelstange aus einer Aluminiumlegierung mit verbesserter Dauerfestigkeit und ein Verfahren für dessen Herstellung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Es ist bekannt, daß die Eigenschaften von Aluminium vor allem darin bestehen, daß es dreimal leichter als Stahl ist und eine gute Korrosionsbeständigkeit aufweist. Bei Legierung mit Kupfer und Magnesium verbessert sich die mechanisch* Festigkeit des Aluminiums stark. Andererseits ergibt sich durch Zusatz von Silicium ein Produkt mit einer guten Abriebfestigkeit. Legierungen,

denen weitere Elemente wie Eisen, Nickel, Cobalt, Chrom und Mangan zugesetzt werden können, führen zu einem Kompromiß an Eigenschaften, der es zu einem bevorzugten Werkstoff für die He stellung von Kraftfahrzeugteüen wie Motor, Kolben, Zylinder usw. macht.

So offenbart das EP 144898 eine Aluminiumlegierung von 10 bis 36Gew.-% Silicium, 1 bis 12Gew.-% Kupfer, 0,1 bis 3Gew.-% Magnesium und 2 bis 10Gew.-% mindestens eines der Elemente aus der Gruppe Fe, Ni, Co, Cr und Mn. Diese Legierung wird für die Herstellung von Maschinenteilen sowohl für die Flugzeug- als auch für die Kraftfahrzeugindustrie

verwendet, wobei diese Teile durch die Pulvermetallurgietechnik hergestellt werden, die neben dam Formen durch Pressen und

Strangpressen eine Wärmebehandlungszwischenstufe zwischen 250 und 55O⁰C umfaßt. Obwohl diese Teile gut den obengenannten verschiedenen Eigenschaften gerecht werden, wurde eine Eigenschaft jedoch noch

nicht berücksichtigt, und zwar die Ermüdungsbeständigkeit.

Der Fachmann weiß, daß die Ermüdung das Ergebnis einer ständigen, lokalisierten und zunehwndan Veränderung dos Metallgefüges ist, die in Werkstoffen erfolgt, welch s einer Folge von diskontinuierlichen Beanspruchungen ausgesetzt sind, und

die zu Rissen und sogar zu Brüchen der Teile führt, nachdem diese Beanspruchungen entsprechend einer mehr odor weniger großen Wechselzahl ausgesetzt wurden, obwohl ihre Stärke häufig deutlich niedriger als diejenige ist, die dem Werkstoff kontinuierlich zur Erzialung eines Zugbruchs aufgegeben werden muß. Deshalb können die Werte für Elastizitätsmodul,

Zugfestigkeit und Härte, die im EP144 898 angeführt werden, nicht bei der Dauerfestigkeit der Legierung berücksichtigt werden. Bei solchen Teilen wie Pleuelstangen oder Kolbenbolzen, die dynan:'',ch arbeiten und periodischer· Beanspruchungen

ausgesetzt sind, ist es äußerst wichtig, daß sie eine gute Ermüdungsbaständigkeit aufweisen.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, ein Maschinenteil, insbesondere eine Pleuelstange aus einer Aluminiumlegierung und ein Herstellungsverfahren dazu zur Anwendung zu bringen, das verbesserte Gebrauchswerteigenschaften, insbesondere eine bessere Dauerfestigkeit aufweist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Maschinenteil, insbesondere eine Pleuelstange aus einer Aluminiumlegierung mit verbesserter Dauerfestigkeit und ein Verfahren für dessen Herstellung zu schaffen, mit dem über eine Veränderung der Legierung die mechanischen Eigenschaften verbessert werden.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß sine Legierung folgende Elemente Aluminiumlegioiungen mit 11 bis 22(iew.-% Silicium, 2 bis 5Gew.-% Eisen, 0,5 bis 4Gew.-% Kupfer, 0,2 bis 1,5Gow.-% Magnosium und erfindungsgemäß 0,4 bis 1,5% Zirconium enthält.

'Es ist nach der Erfindung sinnvoll, daß dieses Lagierungselement den anderen Elementen in einer Menge von mindestens gleich 0,4% zur Erzielung einer geeigneten Wirkung und von höchstens 1,5%, zugesetzt wird. Ein Legierungsanteil über 1,5 % hat keine Verbesserung zur Folge. Ein Zusatz von Zirconium im angegebenen Bereich hatte zum Ergebnis, daß sich die Dauerfostigkeit der Teile erhöht hat, ohne daß weder die anderen mit den Legierungen der früheren Technik erzielten Eigenschaften, noch ihre Bearbeitbarkeit beeinträchtigt wurden.

Die Erfindung ist ausgestaltet, wenn verfahrensgemSß die Legierung bei einer Temperatur über 90; C geschmolzen wird, so daß jede Erscheinung einer vorzeitigen Ausscheidung vermieden wird, und dann einem schnellen Ersti.rrungsmittel ausgesetzt wird. Da solche Elemente wie Eisen und Zirconium in der Legierung sehr wenig löslich sind, ist es zum Erhalt von Teilen, die den gewünschten Merkmalen entsprechen, unerläßlich, eine heterogene Grobausscheidung dieser Elemente zu vermeidon. Das geschieht, indem sie so schnell wie möglich abgekühlt werden

Für diese schnelle Erstarrung gelangen mehrere Verfahrensweisen zur Anwendung:

- entweder durch Zerstäubung des geschmolzenen Metalls mit einem Gas oder durch mechanische Zerstäubung gefolgt von einer Abkühlung in einem Gas (Luft, Helium, Argon). Das führt zu Pulver mit einer Korngröße unter 400 \im, die dann durch Kalt· oder Warmpressen in einer einachsigen oder isostatischen Presse und anschließendes Strangpressen und/oder Schmieden geformt werden;

- oder durch Schleudern der geschmolzenen Legierungen gegen eine gekühlte Metallfläche nach einer Technik, die in der Fachwelt als „melt spinning" oder „planar flew casting" bezeichnet wird, so daß Bänder mit einer Dicke unter 100 μιη erzeugt werden, die dann wie oben durch Pressen geformt werden;

- oder aber durch Schleudern der in einem Gasstrom zerstäubten geschmolzenen Legierung gegen oin Substrat nach einer Technik, die auch „spray deposition" genannt wird, so daß ein kohärenter Niederschlag entsteht, der so formbar ist, daß er beispielsweise durch Schmieden, Strangpressen oder Gesenkformen in Form gebracht werden kann.

Um das Ausscheidungsgefüge noch zu verfeinern, werden die evtl. bearbeiteten Teile 1 bis 10 Stunden lang einer Wärmebehandlung zwischen 480 und 530°C unterzogen, dann mit Wasser abgeschreckt, bevor sie 2 bis 32 Stunden lang zwischen 150 und 200⁰C angelassen werden, wodurch sich ihre mechanischen Eigenschaften verbessern.

Ausführungsbeispiel	rgestellt werden.	Si%	Fe %	Cu %	Mg%	Zr %	Al%
	Sechs Legierungen werden eingesetzt. Sie hatten folgende Zusammensetzung in Gewichtsanteilen:	18	3,0	3	1.0	-	Rest
	Legierung Nr.	18	3,0	3	1.0	1	Rest
	1	12	5,0	1	1.5	1,2	Rest
Uie Erfindung soll anhand der folgenden Anwendungsbeispiele besser verständlich da	2	15	4,0	1	1	0,6	Rest
	3	20	4.0	1	1	0,8	Rest
4	12	5.0	3	0,8	0,2	Rest
5
6

Die Legierungen Nr. 1,2 und 3 wurden durch Pulvermetallurgie erzielt, d.h. sie wurden bei 900⁰C geschmolzen, dann in einer Stickstoffatmosphäre zu Teilchen mit einer Korngröße von 300pm zerstäubt, dann bei 300MPa in einer isostatischen Presse gepreßt und in Form einer Stange mit 40 mm Durchmesser stranggepreßt. Bei den Legierungen Nr.4,5 und β wurde „spray deposition" angewendet, bei der sich ein Niederschlag in Form eines zylindrischen Preßbolzens bildet, der dann durch Strangpressen in eine Stange mit 40mm Durchmesser umgeformt wird. Die mit dem einen oder anderen Verfahren erzielten Stangen wurden 2 Stunden lang zwischen 490 und 52O⁰C behandelt, dann mit Wtoser abgeschreckt und 8 Stunden lang einer Temperatur zwischen 160 und 190⁰C ausgesetzt.

An Prüflingen jeder Stange wurden Messungen einerseits des Elastizitätsmoduls, andererseits der konventionellen Elastizitätsgrenze 0,2%, der Bruchlast und der Dehnung bei 2O⁰C und anschließend bei 15O⁰C nach 100 Stunden sowie die Messungen der Ermüdungsgrenze bei 20⁰C nach 10' Wechseln und des Dauerfestigkeitsverhältnisses, das durch das Verhältnis zwischen der Deuerftistigkeitsgrenze und der Bruchlast definiert wird, durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle enthalten:

• »

Elastizitätsmodul

in GPa

1

:

2

• •

4

t

:

6

• •

:

• •

:

3 :

•

5 :

• •

:

87

• •

91

:

90

:

• •

84

:

* •

Zug bei 20 ⁰C RO,

2 in MPa

:

• •

89 :

• •

95 :

:

Rm

in MPa

• t

s

•

* •

r •

! 350

:

390

• •

• t

387

• *

• •

355

:

* •

430

• «

460

:

380:

455

•

400:

433

:

•

• •

442:

• •

470:

•

A %

i 2,5: 3,0: 5,0: 3,8: 1,0: 2,0:

: Zug bei 150 ⁰C RO,2 in MPa: 290: 320: 315: 323: 327: 288: : nach 100 h Ra in MPa : 385: 390: 387: 393: 398: 380: : A % : 5,0: 6,0: 8,0t 5,0: 2,0: 6,0:

: Ermüdungegrenze Lf in MPa : 150: 185: 192: 190: 188: 155:

: bei 10 Wechseln und 20 ⁰C : : : : : : :

: (Drehbiegung) :::::::

: (Dauerfestigkeitsverhältnis:0,35:0,40:0,43:0,42:0,40:0,36:

(Lf/Rm) t :::::::

Die deutliche Verbesserung, die durch das Zirconium an der Dauerfestigkeit erfolgt ist, deren Grenze sich von 150 auf 192 MPa verschiebt, ist totzustellen.

Ähnliche Ergebnisse wurden mit Teilen erzielt, die mit .spray deposition* und .melt spinning" odor .planar flow casting" hergestellt wurdet..

Claims

1. Maschinenteil, insbesondere Pleuelstange aus einer Aluminiumlegierung mit verbesserter Dauerfestigkeit, das neben Aluminium 11 bis 22Gew.-% Silicium, 2 bis 5Gew.-% Eisen, 0,5 bis 4Gew.-% Kupfer, 0,2 bis 1,5Gew.-% Magnesium enthält, dadurch gekennzeichnet, daß 0,4 bis 1,5% Zirconium in der Legierung enthalten sind.

2. Verfahren zur Herstellung von Maschinenteilen, insbesondere Pleuelstange aus einer Aluminiumlegierung mit verbesserter Dauerfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung im geschmolzenen Zustand einem schnellen Erstarrungsmittel ausgesetzt wird, in Form gebracht, einer Wärmebehandlung zwischen 480 und 530⁰C ausgesetzt, mit Wasser gehängt und zwischen 15C und 200⁰C angelassen wird.

3. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das schnelle Erstarrungsmittel zu der aus Zerstäubung, „spray deposition" und „melt spinning" bestehenden Gruppe gehört.