DD284904A5

DD284904A5 - Verfahren zur herstellung von teilen aus aluminiumlegierung, die eine gute festigkeit bei werkstoffermuedung durch lange erwaermung behaelt

Info

Publication number: DD284904A5
Application number: DD89332869A
Authority: DD
Inventors: Jean-Francois Faure
Original assignee: ��@��@��@�}��@��k��
Priority date: 1988-09-26
Filing date: 1989-09-21
Publication date: 1990-11-28
Also published as: EP0362086A1; DE68906999T2; EP0362086B1; CN1041399A; ATE90397T1; US4963322A; DK468489D0; JPH02232324A; FR2636974B1; US4992242A; FI894499A0; ES2042048T3; IL91738A0; BR8904844A; DK468489A; FR2636974A1; FI894499A; KR900004951A; YU185389A; DE68906999D1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Teilen aus einer Aluminium-Legierung, die eine gute Ermuedungsfestigkeit bei ihrer Verwendung in der Waerme behaelt. Dieses Verfahren besteht darin, dasz man eine Legierung herstellt, die in Gewichtsteilen 11 bis 26% Silicium, 2 bis 5% Eisen, 0,5 bis 5% Kupfer, 0,1 bis 2% Magnesium, 0,1 bis 4% Zirkonium und 0,5 bis 1,5% Mangan enthaelt, dasz man die Legierung im geschmolzenen Zustand einem Mittel zur schnellen Verfestigung unterzieht, dasz man sie in die Form von Teilen bringt, und dasz man diese einer thermischen Behandlung bei einer Temperatur zwischen 490 und 520C unterzieht, gefolgt von einer Haertung in Wasser und einem Anlassen bei einer Temperatur zwischen 170 und 210C. Diese Teile finden ihre Anwendung insbesondere in Form von Pleuelstangen fuer Kolbenbolzen und von Kolben.{Aluminiumlegierung; Ermuedungsfestigkeit; Waerme; Legierung; Silicium; Eisen; Zirkonium; Mangan; Verfestigung; thermischer Behandlung; Haertung; Anlassen; Temperatur; Pleuelstange; Kolben}

Description

Es ist bekannt, daß Aluminium vor allem die Eigenschaften besitzt, dreimal leichter als Stahl zu sein und einen guten Korrosionswiderstand aufzuweisen. Durch Legierung von Aluminium mit Metallen wie Kupfer und Magnesium verbessert man erheblich seinen mechanischen Widerstand. Außerdem ergibt ein Zusatz von Silicium ein Produkt mit einer guten Verschleißfestigkeit. Diese mit anderen Elementen wie Eisen, Wickel, Cobalt, Chromium und Mangan versehenen Legierungen zeigen eine verbesserte Wärmefestigkeit. Ein KomprorwiQ zwischen diesen zusätzlichen Elementen inacnt aus dem Aluminium das Material der Wahl für die Herstellung von Krai" tf ahrzeugteilen, wie Motorblock, Kolben, Zyiinoer usw.

So beschreibt das EP-144 893 eins Aluminiunr.-Legieruny, dia in Gewichtsteilen 10 bis 36 % Silicium, 1 bis 12 % Kupfer, 0,1 bis 3 % Magnesium uno 2 bis IG "s ninosstens eines aus oer Gruppe Fe, Ui, Co, Cr. und Hn ausgewählten Elementes entnält.

Diese Legierung ist anwendbar bei oer Herstellung von Teilen, üie außer für Kraftfahrzeuge auun für dia i_uf tf ahrtinouatrie vorgesehen sind, wooei die genannten Teile durch die Technik

der Pulvermetallurgie erhalten werden, neben der Formgebung durch Verdichtung und Strangpressen, mit einer Zwischenstufe thermischer Behandlung zwischen 250 und 550 ⁰C.

Wenn diese Teile auch den verschiedensten oben erwähnten Eigenschaften entsprechen, so ist dabei eine, die bisher nicht berücksichtigt wurde, nämlich die Wärmebeständigkeit.

Dem Fachmann ist bekannt, daß die Ermüdung einem ständigen, lokalisierten und fortschreitenden Wechsel der metallischen Struktur entspricht, der sich in den Materialien ergibt, die einer Folge von diskontinuierlichen Spannungen ausgesetzt sind und die Risse und sogar Brüche der Teile nach dem Einwirken der genannten Spannungen nach sich ziehen können, und zwar gemäO einer mehr oder weniger hohen Anzahl von Zyklen, wobei deren Intensität meistens unterhalb derjenigen liegt, die in kontinuierlicher Weise auf aas Material einwirken muß, um einen Bruch durch Zugkraft zu erhalten. Deshalb können die Werte des Elastizitätsmoduls, der Zugfestigkeit und der Härte in dem EP-144 898 nichts über die Eignung der Legierung im Hinblick auf ihre Ermüdungsfestigkeit aussagen.

Daher ist es für derartige Teile, wie beispielsweise Pleuelstangen oder Kolbenbolzen, die dynamisch arbeiten und periodischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, wichtig, daß sie eine gute Ermüdungsfestigkeit aufweisen.

Daher hat sich die Anmelderin diesem Problem zugewandt und sicher festgestellt, daß die ausgehend von den im Rahmen des oben erwähnten Dokumentes beschriebenen Legierungen hergestellten Teile eine Ermüdungsfestigkeit aufweisen, die für gewisse Anwendungen empfohlen werden könnte, doch es ist möglich, diese Eigenschaften durch Modifizieren ihrer Zusammensetzung beträchtlich zu verbessern. Zu diesem Zweck wurden Teile aus einer Aluminium-Legierung

234904

zur Verfügung gestellt, die in Gewichtsteilen 11 bis 22 % Silicium, 2 bis 5 % Eisen, 0,5 bis 4 % Kupfer, 0,2 bis 1,5 % Magnesium enthält und durch einen zusätzlichen Gehalt von 0,4 bis 1,5 % Zirkonium gekennzeichnet ist.

Diese Erfindung bildet außerdem den Gegenstand der französischen

Patentanmeldung Nr. 87-17674.

Die Anmelderin hat jedoch nicht nur festgestellt, daß das Zirkonium eine bemerkenswerte Verbesserung vom Gesichtspunkt der Ermüdungsgrenze bis 20 ⁰C bringt, da diese von 150 bis 185 MPa reicht, sondern demgegenüber auch, daß diese Grenze nach einem Warmhalten von 1 000 Stunden bei 150 ⁰C (was den überwiegenden Teil der Arbeitsbedingungen bei der halben Lebensaauer einer Pleuelstange darstellt) auf 143 MPa abfällt, was eine Verringerung von mehr als 22 4 bedeutet.

Ziel oer Erfindung

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden.

Darlegung des Wesens der Erfinoung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunoe, ein Verfahren zur Herstellung von Teilen aus einer Aluminiumlegierung, die nach längerem Warmhalten eine gute Ermüdungsfestigkeit behält, zur Verfügung zu stellen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der bisherige Nachteil durch Kombination der Wirkungen von Zirkonium und Magnesium behoben werden kann.

Die vorliegende Erfindung besteht dahec in einem Verfahren zur Herstellung von Teilen aus einer Alumium-Legierung, die eine gute Ermüdungsfestigkeit nach längerem Warmhalten behält,

und die in Gewichtsteilen 11 bis 20 4 Silicium, 2 bis 5 4 Eisen, 0,5 bis 5 % Kupfer, 0,1 bis 2 % Magnesium und gegebenenfalls zweitrangige Zusätze von Nickel und/oder Cobalt, enthält und die dadurch gekennzeichnet ist, daß ebenfalls 0,1 bis 4 % Zirkonium und 0,5 bis 1,5 % Mangan enthält.

Diese Spanne umfaßt die Werte des Zusatzes von Zirkonium und Mangan, unter denen die Wirkung nicht signifikant ist und oberhalb dieser Werte entweder der Zusatz von Zirkonium keinen bestimmenden Einfluß mehr hat oder der Zusatz von Mangan zu einer Versprödung des Teiles und zu einem Abfall der Ermüdungsgrenze bei einem eingekerbten Teil führt, das heißt, oaß es Umregelmäßigkeiten der Oberfläche, wie keine Schraubenwindungen, Verbindungsradien usw. aufweist.

Daher wurüe mit Bezug auf die in der oban erwähnten Patentanmeldung beschriebene Zusammensetzung das Mangan durch ainen Anteil von Zirkonium substituiert, was einerseits Einsparungen bei den Ausgangsstoffen ermöglicht, denn Mangan wird besser gehandelt als Zirkonium, unc andererseits die Becingungen des Schmelzens der Legierung bis zu einer binären Legierung vereinfacht, die bei der Liquidus-Temperatur von 875 C 1 % Zirkonium enthält, während diese Temperatur in der Nähe von 660 C bleibt, wenn es sich um 1 % Mangan handelt.

Außer der besonderen Zusammensetzung der eingesetzten Legierung ist jedoch die Erfindung ebenfalls dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierung im geschmolzenen Zustand einem Mittel zur schnellen Verfestigung unterzieht, bevor sie in die Form von Teilen gebracht wird. Tatsächlich sind Elemente wie Eisen, Zirkonium und Mangan sehr wenig löslich in der Legierung, und es ist für das Erhalten von Teilen, aie den gewünschten Charakteristiken entsprechen, unerläßlich, eine grobe und heterogene Fällung dieser Elemente zu verhindern, was man durch eine so schnell als mögliche Abkühlung realisiert. Außerdem wird die Legierung vorzugsweise bei einer Temperatur von höher als 700 ⁰C geschmolzen, so daß man alle Phänomene der frühzeitigen Fällung vermeidet.

•3 4. J

Es existieren mehrere Arten, diese schnelle Verfestigung durchzuführen :

1. Man zerteilt die geschmolzene Legierung in die Form kleiner Tröpfchen,

- entweder durch Zerstäuben des geschmolzenen Nietalls mit Hilfe eines Gases oder durch mechanische Zerstäubung, gefolgt von einer Abkühlung in einem Gas (Luft, Helium, Argon) ,

- oder durch Zentrifugen-Zerstäubung oder andere verwandte Verfahren.

uies führt zu Pulvern mit einer Granulometrie von niedriger als pm, die anschließend, gemäß bekannter Techniken der Pulvermetallurgie, durch Verdichtung in oer Kälte oder der Wärme in einer uniaxialen oder isostatischen Presse mit nachfolgendem Strangpressen und/ooer Schmieoen ausgeformt werden.

2. Man spritzt die geschmolzene Legierung gegen eine gekühlte Metall-Fläche, beispielsweise gemäß dar im Angelsächsischen mit dem Begriff "melt spinning" oder "planar flow casting" bezeichneten Technik, deren Beschreibung man in den Patenten 'JS-4339258 und EP-136308 findet, oder auch "melt overflow" und verwandte Techniken. Man erzeugt auf diese Weise Bänder mit einer Dicke von unterhalb 100 μπι, die dann wie oben geformt werden.

3. lian spritzt die in einem Gas-Strom zerstäubte, geschmolzene Legierung gegen ein Substrat, beispielsweise gemäß der

noch mit "spray deposition" oder "spray casting" Dezeichneten Techniken, deren Beschreibung in dem Patent GB 1379201 yeyeben wird und die zu einem kohärenten Depot führen, das ausreichend dehnbar ist, um durch Schmelzenn, Strangpressen oder Gesenkschmieden geformt zu werden.

Diese Aufstellung ist selbstverständlich nicht erschöpfend.

Um die Struktur der Fällung noch mehr zu veredeln, werden die Teile, nachdem sie gegebenenfalls fertigbearbeitet wurden, bei Temperaturen zwischen 490 und 520 ⁰C 1 bis 10 Stunden lang thermisch behandelt und danach in Wasser gehärtet, bevor sie einer Anlaßbehandlung bei 170 bis 210 ⁰C während 2 bis 32 Stunden unterzogen werden, was ihre mechanischen Eigenschaften verbessert.

Die Erfindung wird besser anhand der folgenden Anwendungsbeispiele verstanden werden:

Die Masse einer Basis-Legierung, enthaltend in Gewichtsteilen 18 % Silicium, 3 % Eisen, 1 % Kupfer, 1 % Magnesium, Rest Aluminium, wurde bei 500 ⁰C geschmolzen und anschließend in acht Posten aufgeteilt, numeriert von 0 bis 7.

Zu den Posten 1 bis 7 wurden verschiedene Mangen von Zirkonium und Mangan gegeben, der Posten 0 diente als Kontrolle. Dann wurden die Posten entweder durch Pulvermetallurgie oder durch Spray-Deposition behandelt:

- der Bereich der Pulvermetallurgie (PIl) umfaßt eine Zerstäubung in einer Stickstoff-Atmosphäre in Teilchen der Granulometrie von unterhalb 200 pm, anschließend eine Verdichtung unter 300 MPa in einer isostatischen Presse, gefolgt von einem Strangpressen in Form von Stäben mit einem Durchmesser von 40 mm;

- der Bereich der Spray-Depusition (SD) verwendet die Technik des G3-1375261 una ermöglichx as, ein Depot in Form eines zylindrischen Stranyes zu erhalten, das dann ourch Strangpressen in einen Stab von 40 mm Durchmesser überführt wird.

Diese Teile werden dann zwei Stunden lang bei einer Temperatur zwischen 490 und 520 ⁰C behandelt, anschließeno in Wassergehärtet und 8 Stunden lang einer Temperatur zwiscnen 170 und 200 ⁰C ausgesetzt.

2 8 4 9 О 4

An den Prüfkörpern von jedem dieser Teile wurden gemäß der

dem Fachmann bekannten Techniken die folgenden Charakteristiken

gemessen:

- der Young-Mociul E in GPa,

- die konventionelle Elastizitätsgrenze bei 0,2 %: RO,2 in MPa, die Bruchlast RM in MPa, die Dehnung A in %, wobei diese Kessungen bei 2O⁰C und bei bei 150 ⁰C nach 100 Stunden Warmhalten durchgeführt wurden,

- die Ermüdungsgrenze bei 20 ⁰C nach Ablauf von 10 Zyklen, Lf in MPa, an den glatten Prüfkörpern im Zustand T6 gemäß den Normen der Aluminium Association, und Beanspruchungen durch Dreh-Biegung,

- die gleiche Messung wie zuvor, jedoch nach einem Warmhalten des Prüfkörpers während 1 000 Stunden bei 150 ⁰C,

- das Dauerfestigkeits-Verhältnis Lf/Rm bei 20 ⁰C;

- oie Ermüdungsgrenze bei 20 ⁰C wie oben, jedoch an einem gekerbten Prüfkörper mit Kt 0 2,2,

- der Empfindlichkeits-Koeffizient an der Einkerbung ς = Kf-I

Kt-I,

worin Kf das Verhältnis der Ermüdungsgrenze, gemessen an einem glatten Prüfkörper, zur Ermüdungsgrenze, gemessen an einem gekerbten Prüfkörper, ist (die Legierung ist umso sensibler an der Einkerbung, je höher q ist).

Alle Resultate dieser Messungen sind in der anliegenden Tabelle aufgeführt (Seite 9).

Aus diesen Messungen kann man folgern, daß eine Legierung weder Zirkonium, nach Mangan enthält (Mr. 0), wenn die Ermüdungsgrenze nach 1 000 Stunden Warmhalten bei 150 ⁰C 120 MPa beträgt, wobei der Zusatz von 1 % Zirkonium (Nr. 1) dieses Charakterisxikum auf 148 MPa bringt der gleichzeitige Zusatz von Zirkonium und Mangan es ermöglicht, mit einer geringeren Menge an Zirkonium (Mr. 5) einen 'Wert von 177 MPa zu erreichen.

23 4 9 04

Außerdem ermöglicht die gleichzeitige Anwesenheit von Zirkonium und Mangan eine starke Absenkung von Abbaureaktionen der Ermüdungsgrenze, die sich nach dem Warmhalten bei 150 ⁰C einstellen. Tatsächlich liegt bei der Legierung Nr. 1 ohne Mangan der Wert Lf bei 185 bis 143 MPa, das ist ein Abfall von 42 MPa, während mit der Legierung Nr. 5, die 1,2 % Mangan enthält, Lf von 193 bis 177 MPa geht, entsprechendd einem Abfall von 16 MPa; das stellt einen viel geringeren Wert dar, als es aer vorige ist.

Diese Messungen zeigen ebenfalls, daß diese Elemente die Ermüdungsgrenze bei gekerbten Teilen verbessern, daß aber ihre Anwesenheit in zu großen Mengen zum Abbau dieses Merkmals und zur Erhöhung der Sprödigkeit beiträgt. Daher beläuft sich der Wert dieser Grenze von 100 MPa für den Prüfkörper Nr. 0 bis 125 MPa für den Prüfkörper Nr. 3 (0,1 4 Zr bis 0,6 4 Mn), fällt aber auf 105 MPa für den Prüfkörper Nr. 7 ab, der einen höheren Anteil an Zirkonium und Mangan besitzt.

Man stellt daher fest, daß die gleichzeitige Anwesenheit von Zirkonium und Mangan in den erfindungsgemäßen Verhältnissen (Legierungen Nr. 5, 4, 3, 6) zu einem geringeren Sensibilitäts-Koeffizienten an der Einkerbung führt (0,51-0,48-0,43-0,51), als bei Legierungen des Standes der Technik, wobei der Koeffizient in der Nähe von 0,6 die Legierung Nr. 0 aussondert, die außerdem іпі Hinblick auf ihre geringe mechanische Widerstandsfähigkeit nicht verwendbar ist.

Daher tragen erfindungsgemäß die Kombination Zirkonium-tiangan in begrenzten Mengen und die schnelle Verfestigung der erhaltenen Legierung dazu- bei, die Ermüdungsfestigkeit von Teilen sowohl in der Kälte als such in der Wärme zu verbessern, die dazu neigün, Unregelmäßigkeiten der Oberfläche aufzuweisen, wie keine Schraubenwindungen oder Verbindungsradien, und die ihre Anwendung in der Kraftfahrzeugindustrie finden, insbesondere bei der Herstellung von Pleuelstangen, Kolbenbolzen und Kolben.

Leg. Nr.

Basis-Legierung Si 18 % - Pe 3 % - Cu 1 % - Mg 1 f. - Rest Al

Verfahren

Zusatz in Gew. %

Young-Modul E(GPa)

Zugkraft bei 20 C

Zugkraft bei 150 C nach 100 Std. Warmhalten

	SD	Zr	LIn	89	RO,2(MPa)	Rm(LIPa)	A %	RO, 2(LIPa)	Rm(MPa)	A %
2	PM	0,8	0,3	91	395	465	3,2	322	392	6,0
1	PM	1,0	0,0	92	390	460	3,0	320	390	6,0
5	SD	0,2	1,2	90	415	475	3,0	340	400	6,0
4	SD	0,4	0,6	88	418	470	3,2	335	397	6,5
3	PM	0,1	0,6	92	412	468	3,3	330	392	6,7
6	PM	0,1	1,4	87	410	477	2,8	342	405	5,8
О	SD	0,0	0,0	93	350	430	2,5	290	385	5,0
7	1,0	1,0	400	470	1,0	328	392	3,0

* SD: Spray-Auftrag

PLI: Pulvermetallurgie

Nr. Ermüdungsgrenze bei 10 Zyklen bei 20°C Zustand To - glatx Lf (HPa)

Dauerfestigkeitsverhältnis Lf /Rm

Ermüdungsgrenze bei 10' Zyklen bei 2O⁰C Zustand T6 - glatt nach 1000 Std. bei 15O⁰C(MPa)

Ermüdungsgrenze bei 10' Zyklen bei 20°C Zustand T6 - gekerbt Kt = 2,2 (LIPa)

186 185 193 192 190 195 150 180

0,4

0,35

0,38

148 143 177 170 168 175 120 140

110 108 120 122 125 121 92 105

0,58 0,59 0,51 0,48 0,43 0,51 0,53 0,60

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Teilen aus einer Aluminium-Legierung, die eine gute Ermüdungsfestigkeit nach längeren. Warmhalten behält, enthaltend in Gewichtsteilen 11 bis 26 Siliciium, 2 bis 5 % Eisen, G,5 bis 5 4 Kupfer, 0,1 bis 2 % Magnesium und gegebenenfalls zweitrangige Zusätze von Nickel und/oder Cobalt, dadurch gekennzeichnet, daß man

- eine Legierung herstellt, die ebenfalls 0,1 bis 4 % Zirkonium und 0,5 bis 1,5 % Mangan enthält,

- die Legierung im geschmolzenen Zustand einem Mittel zur schnellen Verfestigung unterzieht,

- das erhaltene Produkt in die Form von Teilen bringt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur schnellen Verfestigung darin besteht, die geschmolzene Legierung in die Form kleiner Tröpfchen zu zerteilen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da,3 das Mittel zur schnellen Verfestigung im Spritzen der geschmolzenen Legierung gegen eine gekühlte Metall-Fläche besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur schnellen Verfestigung im Spritzen der in einem Gas-Strom versprühten Legierung gegen ein Substrat besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

man die Teile einer thermischen Behandlung bei einer Temperatur zwischen 490 und 520 ⁰C, einer Härtung in Wasser und einem Anlassen bei einer Temperatur zwischen 170 und 210 C unterzieht .