DE102005047037A1 - Motorische Gleitpaarung aus einer Aluminiumbasislegierung - Google Patents

Motorische Gleitpaarung aus einer Aluminiumbasislegierung Download PDF

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Matthias Dr. Woydt
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Abstract

Gleitelemente eines Verbrennungsmotors oder Hydrauliksystems, welche unter den Reibungszuständen der Misch/Grenzreibung und/oder der Hydrodynamik aber auch des Trockenlaufs (mit Trockenlaufanteilen) betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß diese im Werkstoffvolumen und/oder an der Reiboberfläche aus einer Aluminiumbasis-Legierung mit mindestens 80 Gew.-% Aluminium besteht,

Description

  • Die Erfindung betrifft motorische Gleitpaarungen mit aus einer Aluminiumbasis-Legierung hergestelltem Gleitelement. Diese Gleitelemente befinden sich z.B. in einer Kolben-Kolbenring-Zylinderlaufbahn-Baugruppe („Power cylinder" group) oder Kurbelwellen-Lagerschalen-Baugruppe, insbesondere die Tribo-/Gleitelemente Kurbelwellenlagerschalen, Zylinderlaufbahnen, Kolbenringe, Kolben und Ventilführungen.
  • Die Gleitflächen der Gleitelemente können zusätzlich auch beschichtet oder thermo-chemisch behandelt sein.
  • Seit den dreißiger Jahren des vergangenen Jahrhunderts sind Zylinderlaufbahnen aus eutektischen AlSi-Legierungen („Silumin") mit groben Si-Primärkristallen bekannt und motorisch im Einsatz. Die Tabelle 1 faßt den Stand der Technik zu Zylinderlaufbahnen aus AlSi-Legierungen zusammen. Diese können bis zu 1,3 Gew.-% Eisen enthalten. Die Werkstoffmatrix dieser Konzepte baut auf Aluminium und Silizium auf. Zur funktionalen Ausgestaltung der Zylinderlaufbahnoberfläche kommt es im Wesentlichen darauf an, durch chemische oder mechanische Behandlungen der Laufbahnen die Aluminiummatrix um 0,5-2 μm zurückzusetzen, damit die harten Siliziumkristalle (Hv ∼12-14 GPa) den Traganteil ausbilden.
  • Den niedrigsten Systemverschleiß (Kolbenring und Zylinderlaufbahn) erzielen AlSi-Laufbahnen gegen nitrierte Kolbenringinge, die mit der Verschleißerwartung von hochgekohlten Grauguß-Zylinderlaufbahnen (3,3-3,8 gew.-% C) identisch oder z.T. auch besser sein kann. Allerdings zeigt sich, daß diese bewährte Paarung aus AlSi-Legierungen tribologisch nicht mehr den Belastungen neuer bzw. zukünftiger hochaufgeladener und/oder mit wasserstoffbetriebenen Motoren standhält. Dabei kristallisiert sich heraus, daß dies sowohl für AlSi17- wie auch für AlSi25-Legierungen (SILITEC) gilt (Siehe Bild 17).
  • Für eine optimale Ausbildung der Verbrennung von H2-betriebenen Motoren ist die hohe thermische Diffusivität des Aluminiums (KRT ∼60-80 mm2/s) essentiell, wodurch sich Beschichtungen der Zylinderlaufbahn mit Ingenieurkeramiken, Cermets oder Hartmetallen, trotz erwiesener, besserer Verschleißbeständigkeit, ausschließen. Zum Vergleich: KRT= 16,6 mm2/s eines lamellaren Graugußes mit 3,7 Gew.-% C.
  • Weiterhin limitiert sind die AlSi-Legierungen in der tribologischen Gutlast bzw. Freßlast hinsichtlich der tribologischen Hochdruckeigenschaften.
  • Die Patentschrift US 6,030,577 offenbart AlSi(17-35) mit 3-5 Gew.-% Fe. Der eigene Erfindungsgegenstand übersteigt nicht 3 Gew.-% Silizium, sondern liegt mit <2,0 Gew.-% Si darunter, da Silizium zwar die Gießbarkeit verbessert, aber die eutektische Schmelztemperatur erniedrigt.
  • Das sehr gut gießbare Stoffsystem Al-Si-Mg, z.B. Al-9,0Si-0,5Mg (A359), zeichnet sich durch eine mit der Temperatur stark abfallende Festigkeit aus und durch folgende eutektische Gleichgewichte mit geringer Temperatur:
    • a. Al-Mg2Si-Mg mit einer Schmelztemperatur von 555°C,
    • b. Al-Mg2Si-Al3Mg2 mit einer Schmelztemperatur von 451 °C oder
    • c. Al30,9Mg69,1 ⟺ Mg + Mg17Al12 + Mg2Si mit einer Schmelztemperatur von 437°C.
  • Ähnliche Phasengleichgewichte existieren auch im Stoffsystem Al-Cu-Zn.
  • Die Warmfestigkeit von AlSi-Legierungen kann durch keramische Fasern, Partikel und/oder Platelets verbessert werden, wie z.B. AlSiMg 30 vol.-% SiCp (Lanxide Corp., Al-7,0Si-0,3Mg) oder A359-20 vol.-% SiCp (p= platelet) oder verstärkt durch Partikel aus Siliziumkarbid, wie DURALCAN F3S.20S, 20 Gew.-% SiC) oder AA6061+ 40 vol.-% Al2O3 (Al-1%Mg+ 30 Gew.-% Al2O3 (PRIMEXTM). Allerdings wird der Kolbenringverschleiß durch die keramischen Phasen sehr negativ beeinflußt.
    •
  • Der vorliegende Erfindungsgegenstand verbessert die Verschleißbeständigkeit (Siehe Bild 17 ), die tribologische Tragfähigkeit und die Warmfestigkeit von Aluminiumbasis-Legierungen durch im Gefüge ausgeschiedene intermetallische Phasen, wie z.B. AlFe3, Al3Fe (HV ∼ 9,8 GPa), Al6Fe, Al13Fe4, Al3(Ti,Cr), Al3Ti, Al4(Cr,Fe), Al10(Cr,Fe), AlSi2 oder Al8Fe2Si, welche Mikrohärten von 4.000-8.000 MPa aufweisen. Diese Legierungssysteme bauen u.a. auf AlFeXY auf, wobei z.B. entweder V und Si oder Cr und Ti zusätzlich zu legiert werden. Nach dem Schmelzen und Homogenisieren können vorzugsweise noch bis zu 0,8 Gew.-% eines Gemisches der Elemente Bor, Ce, Sr, Sc, Mg, Nb oder Zr zur Kornfeinung zulegiert werden. Die Kornfeinung reduziert vorrangig die Größe der Dendriten der bei der Erstarrung ausgeschiedenen intermetallischen Phasen (Siehe Bild 1 und Bild 2 ), aber auch eine Erhöhung der Keimanzahl/-dichte während der Primärkristallisation des Aluminiums. Ein höhere Abkühlungsgeschwindigkeit von >100 K/s erzielt denselben Effekt, so daß die Kornfeinung vorteilhafterweise bei größeren Wandstärken der Gußteile anzuwenden ist, um ein gleichmäßiges Gefügebild zu erhalten. Die doch großen Dendriten sind für eine tribologische Gleitbeanspruchung und die für Anbindung der intermetallischen Phasen im Gefüge günstig, jedoch nicht für die Nachalimentierung der Erstarrungsfront mit Schmelze (Siehe Bild 1 +Bild 4). Deshalb muß durch Kornfeinungselemente ein Optimum in deren Größe jeweils gesucht werden ggfs. unter Zuhilfenahme des magnetischen Rührens.
  • In der erfindungsgemäßen Metallurgie bilden sich keine eutektischen Schmelzgleichgewichte mit Liquidustemperaturen unterhalb von 600-620°C aus. Vorzugsweise sollte deshalb der Siliziumgehalt nicht 2,0 Gew.-%, noch bevorzugter nicht 1,0 Gew.-% Si überschreiten. Die intermetallischen Phasen bilden sich aus eutektischen (α-Al ⟺ Al3Fe) und peritektischen Phasengleichgewichten.
  • Die erfindungsgemäßen Legierungen unterscheiden sich allein in der Ausbildungsform der Dendriten aus intermetallischen Phasen von den in AlSi-legierungen ausgeschiedenen Siliziumkristallen. Die Siliziumkristalle liegen in Aluminiumlegierungen als individuelle Einzelkristalle vor, während ein dendritisches Netzwerk eine hervorragende Einbindung in die Matrix ermöglicht zur Aufnahme für Schubspannungen aus der tribologischen Beanspruchung.
  • In einer Graphitkokille abgegossene Legierung aus Al84,5Fe7Cr6Ti2,5 (Siehe Bild 9) verfügt über einen Elastizitätsmodul von ERT = 104,1 GPa, welcher bei 500°C auf E500°C = 83 GPa abfällt. Ebenfalls in einer Graphitkokille abgegossene Legierung Al88,5Fe8,5V1,3Si1,7 (Siehe Bild 4) offeriert einen E-Modul von ERT = 85,7 GPa und bei 500°C immer noch E500°C = 65 GPa. Derartige Werte des E-Moduls (Siehe Bild 3) sind also mit denen eines hochgekohlten, lamellaren Graugusses (∼3,7 Gew.-% C, GL11) vergleichbar und deutlich größer als die von AlSi-Legierungen. Es sei für beide beispielhaft vorgestellten, erfindungsgemäßen Al-Gußlegierungen darauf hingewiesen, daß die hohen E-Moduli ohne Zusatz von keramischen Fasern, Partikeln oder Platelets erzielt wurden. Allein durch den hohen E-Modul können die erfindungsgemäßen Legierungen Grauguß werkstoffmechanisch substituieren.
  • Der Festigkeitsabfall der erfindungsgemäßen Legierungen wird auch zu höheren Temperaturen verschoben.
  • Sämtliche ultrahochfesten Al-Sonderlegierungen mit 800 MPa < σZug RT < 1.600 MPa werden entweder pulvermetallurgisch oder durch Pulververdüsung oder nach dem Schmelzspinnverfahren bzw. Sprühkompaktieren hergestellt. Sie besitzen einen hohen Volumenanteil an intermetallischen Phasen, die Dank der raschen Erstarrung als feine Dispersoide kleiner als 50-100 nm vorliegen.
  • Die Patentschriften US 4,715,893 und US 4,948,558 vom 14.08.1990 von Allied Signal offenbaren z.B. die durch Schmelzspinnen mit anschließendem Extrudieren hergestellten Legierungen Al-8,5Fe-1,3V-1,7Si (AA 8009) mit der Herstellerbezeichnung FVS0812 oder Al-12,4Fe1,2V2,3Si mit der Herstellerbezeichnung FVS1212. Neben den intermetallischen Phasen kennzeichnen amorphe und kristalline Aluminiumphasen die Gefügemorphologie der rascherstarrten Al-Sonderlegierungen. In der Legierung Al-8,5Fe-1,3V-1,7Si (FVS0812) beträgt die Größe der Dispersoide aus Al12(Fe,V)3Si d< 50-100 nm.
  • Die Patentschrift US 5,318,641 von ALCOA offenbart im Stoffsystem Al-Fe-Ce die Legierung (X8019) mit einer Zugfestigkeit bei RT von bis zu 1.600 MPa mit in einer teilamorphen Matrix ausgeschiedenen kristallinen Nanoteilchen.
  • Das amorphe oder teilamorphe Gefüge rekristallisiert oberhalb von 300-450°C (Al90,8Fe6,2Nb1,0Si2,0 (at.%), bei 450°C), wodurch die hohen Festigkeiten verloren gehen. Damit einher geht eine Kornvergröberung. Durch Pulververdüsung, Schmelzspinnen oder Sprühkompaktieren mit anschließendem Kompaktieren und/oder Strangpressen können wirtschaftlich in einer Großserie keine Zylinderlaufbahnen oder Motorblöcke gefertigt werden, insbesondere im Vergleich zu Wettbewerbslösungen, wie dem thermischen Spritzen oder Lasernitrieren von Grauguß.
  • Die besondere Aufgabe liegt nun darin, die im festen Zustand im Aluminium nicht oder kaum löslichen Legierungselemente, wie z.B. Fe, Ti, Cr, Mo oder V, auch mittels einfacher Gußtechnologie als homogene, seigerungsfreie Gefüge darzustellen. Dieses wird insbesondere durch die Kornfeinung mit Mg, Ce, Sc, Sr oder Zr und/oder durch spezielle Gieß- und Kokillentemperaturen erzielt.
  • Die Ausbildung der Dendriten aus den intermetallischen Phasen (Siehe Bild 1 und Bild 4) kann auch durch magnetisches Rühren verhindert werden. Das magnetische Rühren verbessert dadurch auch die Alimentierung der Erstarrrungsfront mit frischer Schmelze und hilft so die Vermeidung von Leerstellen (Poren).
  • Die zuvor genannten Patentschrift US 5,318,641 , US 4,715,893 und US 4,948,558 offenbaren die Stoffsysteme AlFeXY nicht im Zusammenhang mit verschleißbeanspruchten Bauteilen oder hergestellt mit „klassischem" Gießen unter Schwerkrafteinfluß oder Druck in Formen oder Kokillen.
  • Bisher werden diese warmfesten Sonderlegierungen, z. B. Al88,5 Fe8,5 V1,3 Si1,7 oder Al84,2Fe7Cr6Ti2,8, technologisch aufwendig durch Schmelzverdüsung rascherstarrt und anschließend kompaktiert und stranggepresst oder pulvermetallurgisch dargestellt.
  • Die Patentanmeldung US 2003/0185701 (K.L. Sahoo et al.) offenbart Gießparameter für das Stoffsystem Al-Fe-V-Si. Danach betragen die Gießtemperaturen 800-1.000°C, wobei in einer auf 350-500°C vorgewärmte Kokille abgegossen wird. Das Inokulum zur Kornfeinung besteht aus <1,0 Gew.-% Mg/Ni. Ein Bezug zu tribologisch beanspruchten Oberflächen wird weder nachgelegt noch offenbart, noch die erfindungsgemäßen Gießtemperauren.
  • Die Publikation von Sahoo et al., J. of. Materials Processing Technology 135 (2003) 253-257, präsentiert für eine Al-8,3Fe-0,8V-0,9Si-Legierung die mechanischen Eigenschaften und Gefügemorphologien korngefeint mit 0,18 Gew.-% Mg, welche mit 1 K/s bis 14 K/s erstarrten.
  • Die nach US 2003/0185701 hergestellte Al-8,3Fe-0,8V-0,9Si-Legierungen erzielten mit und ohne Kornfeinung durch 0,1-1,0 Gew.-% Mg Vickershärten zwischen 43-143, welche deutlich geringer als die der erfindungsgemäßen Legierungen.
  • Die chinesische Publikation von Z.-H. Chen et al., J. Cent. South Univ. Technol. Vol. 7, No. 4, Dec. 2000, stellt die Herstellung von Bauteilen aus einer AA8009-Legierung nach dem OSPREY-Verfahren dar. Ein Bezug zu tribologisch beanspruchten Oberflächen wird weder nachgelegt noch offenbart.
  • Die Patentanmeldung US 2004/0156739 offenbart für Turbinenanwendungen Aluminiumlegierungen mit bis zu 20 Gew.-% Seltener Erden, welche mit Abkühlungsgeschwindigkeiten von 10-100 K/s gegossen wurden. Ein Bezug zu tribologisch beanspruchten Oberflächen wird weder nachgelegt noch offenbart.
  • Die Patentanmeldung US 2004/0261916 offenbart das dispersionverfestigende Stoffsystem Al-Ni-Mn, wobei die Legierungen bestehend aus 0,5-6,0 Gew.-% Ni und 1,0-3,0 Gew.-% Mn mit bis zu 0,3 Gew.-% Zr und/oder Sc korngefeint sein können. Ein Bezug zu tribologisch beanspruchten Oberflächen wird weder nachgelegt noch offenbart.
  • Die Patentanmeldung US 2004/0140019 offenbart das dispersionsverfestigende Stoffsystem Al+<11 Gew.-% (Mg, Li, Si, Ti, Zr), welches durch Tieftemperaturmahlen mit bis zu 0,3 Gew.-% Stickstoff angereichert wird. Daraus werden Rohre in US 2004/0255460 zur Führung von kryogene Medien gefertigt. Ein Bezug zu Gießtechnologien oder tribologisch beanspruchten Oberflächen wird weder nachgelegt noch offenbart.
  • Die nachfolgenden Bilder 4-16 beschreiben die Herstellungsparameter und die Gefügemorphologien von zwei erfindungsgemäßen Legierungen auf Basis von AlFeVSi und AlFeCrTi in Argonatmosphäre.
  • Das Bild 4 verdeutlicht, daß durch eine auf 500°C vorgewärmte Graphitkokille die gleichmäßige Ausbildung der Gefügestruktur der 88,5Al8,5Fe1,3V1,7Si-Legierung über den Querschnitt erzielt wird, allerdings fördern diese Bedingungen den Wachstum großer Dendriten aus Al3Fe (001-1265) von mehreren Millimeter Länge. Erst die Kornfeinung mit 0,1 Gew.-% Zr, eine auf 600°C vorgewärmte Graphitkokille in Verbindung mit einer Gießtemperatur von 750°C erzielt ein deutlich feineres Gefügebild, welches homogen über den Querschnitt ausgeprägt ist. Die in Bild 5 und Bild 6 vergrößerten Gefügemorphologien aus denen in Bild 3 verdeutlichen die Wirkungsweise des Kornfeinungselementes Zr auf die Legierung 88,5Al8,5Fe1,3V1,7Si.
  • Die 88,5Al8,5Fe1,3V1,7Si-Legierung neigt eher zur Ausbildung von sternchenförmigen Kristallen im Vergleich zur Al84,4Fe7,0Cr6,0Ti2,5-Legierung mit einem Dendritennetzwerk. Außerdem offenbart das REM-Bild (S. Bild 10 ) zusätzlich zu den Al3Fe-Dendriten Ausscheidungen aus Al4(V,Fe).
  • Das Legierungssystem Al84,4Fe7,0Cr6,0Ti2,5 scheidet auch ein dichtes, aber geschlossenes, primäres Dendritennetzwerk aus (Siehe Bild 9 und Bild 10), welche mittels EDX als ein Al4(Fe,Cr) analysiert wurde. Innerhalb der lamellaren Drendriten finden man eine globulare Unterstruktur (Siehe Bild 10 ). Zusätzlich finden man imselben Gefüge weitere Ausscheidungen aus Al3(Ti,Cr) (Siehe Bild 12 ).
  • Wie schon bei der 88,5Al8,5Fe1,3V1,7Si-Legierung, zeigt das Bild 15 ein feines, „perlitartiges" Muster aus dem eutektischen Zerfall der Restschmelze der Al84,4Fe7,0Cr6,0Ti2,5-Legierung. Neben der Ausscheidung von „primären" Dendriten aus Al3Fe (001-1265) und Al80V12Fe7,5 (040-1229) in der 88,5Al8,5Fe1,3V1,7Si-Legierung zeigt Bild 7 das feine „perlitartige" Muster aus dem eutektischen Zerfall der Restschmelze, welches als AlSi2 (Aluminiumdisilicid) besteht. Dieses bildet den Schlüssel für die Ausbildung der hohen Warmfestigkeit einer „klassisch" gegossenen AlFe-XY-Legierung ohne Verwendung der Verfahren zur Rascherstarrung.
  • Durch Verringerung der Differenz zwischen Gieß- und Kokillentemperatur auf 250K und der Kornfeinung mittels 0,1 Gew.-% Mg erscheint das Dendritennetzwerk in der Al84,4Fe7,0Cr6,0Ti2,5-Legierung etwas feiner (Siehe Bild 13), was insbesondere durch deren Verzweigung bzw. Verästelung verursacht wird (Siehe Bild 14).
  • Es hat sich auch gezeigt, daß die AlFeXY-Legierungen vorteilhafterweise mit geringer Ubertemperatur von max. 100-150K zu gießen sind.
  • Die außermotorischen Charakterisierung des tribologischen Verhaltens der erfindungsgemäßen AlFeXY-Legierungen erfolgte nach der BAM-Prüftechnik, welche die Literaturstelle „Woydt M. and N. Kelling, Characterization of the tribological behaviour of lubricants and materials for the tribosystem „piston ring/Cylinder Liner, in: ASTM STP 1404 „Bench testing of industrial fluid lubrication and wear properties used in machinery applications", June 2000, Seattle, ISBN 0-8031-2867-3, p. 153" detailliert beschreibt. Beide in Bild 17 verwendeten AlFeXY-Legierungen wurden im Vakuum gegossen und die intermetallischen Phasen durch chemisches oder mechanisches (Honen) Freistellen nicht frei gelegt. Die tribologischen Funktionsflächen waren auf RPK ∼0,43 μm beim Al88,4Fe8,5V1,3Si1,7Zr0,1 und RPK ∼ 0,37 μm beim Al84,4Fe7,0Cr6,0Ti2,5Mg0,1 geläppt.
  • Das Bild 17 gibt die erzielten Versuchsergebnisse in Form des Verschleißkoeffizienten des Grundkörpers (Kolbenring) getrennt vom Gegenkörper (rotierende Probe bzw. Zylinderlaufbahn) mit der zu der jeweiligen Paarung gehörenden Misch-/Grenzreibungszahl wieder. Die in Bild 17 verwendeten Erstbefüllungsöle SAE 5W-30 (Renault) und SAE 0W-30 („PCX") auf Basis von Kohlenwasserstoffen verfügen über eine High-Temperature-High-Shear-Viscosity (HTHS) von 3,0 mPas. Der GG20HCN ist ein mit 3,66 Gew.-% Kohlenstoff hochgekohlter Grauguß mit lamellarem Graphit. Die Kolbenringbezeichnungen „MKP81A®", „MKJet502® (WC/Cr3C2, „superpoliert")" und „CKS36®" sind Markenbezeichnungen der Firma Federal Mogul Burscheid GmbH. Die atmosphärisch, plasmagespritzte (APS) TinO2n-1- und Tin-2Cr2O2n-1-Ringbeschichtungen stellen Experimentalbeschichtungen für Kolbenringe der Firma CIE Automotive (Tarabusi, ES-48140 Igorre) dar. Die AlFeXY-Legierungen Al84,4Fe7,0Cr6,0Ti2,5Mg0,1 und 88,5Al8,5Fe1,3V1,7SiZr0,1 waren im Vakuum bei 750°C in einer auf 600°C vorgewärmten Graphitkokille abgegossen.
  • In der BAM-Prüfanordnung gelten nitrierte Ringe gegen AlSi17 (AlSi17Cu4Mg) oder AlSi25Ni4 (Silitec) bis 25 N Normalkraft als verschleißarm bzw. befinden sich in der Verschleißtieflage (Siehe Tabelle 2), wobei sie oberhalb von ∼ 25 N (ölabhängig!) in die Verschleißhochlage übergehen.
  • Im Durchschnitt aus über 200 Versuchen mit GGL20HCN beträgt in der BAM-Prüfanordnung der mittlere Verschleißkoeffizient bei FN= 50 N von GGL20HCN 4,8 10–8 mm3/Nm. Die Verschleißbeständigkeit der mit 0,1 Gew.-% Mg korngefeinten Al84,4Fe7Cr6Ti2,5-Legierung erzielt gegen den molybdänbasierten MKP81A-Kolbenring eine mit hochgekohltem Grauguß vergleichbare Verschleißbeständigkeit und Tragfähigkeit. Die im Gefüge der 88,5Al8,5Fe1,3V1,7SiZr0,1-Legierung mit dem Auge sichtbaren, harten Dendriten wirken in dieser Größe beim Kolbenring verschleißerhöhend (Siehe Bild 17).
  • Auffällig in Bild 17 sind die höheren Reibungszahlen mit dem Erstbefüllungsöl SAE 5W-30 unter Misch-/Grenzreibung der AlFeXY-Legierungen im Vergleich zum GGL20HCN.
  • Die relativ hohen Mischreibungszahlen können durch die Verwendung eines Polyalkylenglykoles (PAG46-4+2,6 Phopani, HTHS = 3,6 mPas) oder eines Polypropylenglykolmonobutylethers (PPG32-2+2,6 Phopani; HTHS = 2,87 mPas) vermindert werden (Siehe Bild 18). Der im Erstbefüllungsöl SAE 0W-30 („PCX") mit einer HTHS von 3,0 mPas enthaltene, metallfreie Reibungserniedriger wirkt beim AlFeCrTi nicht. Gegen einen nitrierten Kolbenring unterstreicht Bild 18, daß die Al84,4Fe7,0Cr6,0Ti2,5Mg0,1-Legierung laufbahnseitig, bei gleicher Normalkraft von 50 N, im Rahmen der Präzisionsgrenzen des Prüfverfahrens hinsichtlich des Verschleißkoeffizienten mit dem hochgekohlten Grauguß vergleichbar ist. Insbesondere im PPG32-2 ist der Gesamtverschleiß vom Kolbenring und Laufbahn mit denen von GG20HCN vergleichbar.
  • Bezogen nur auf den „nitrierten" Kolbenring zeigt Bild 19, daß das AlFeVSi, jedoch insbesondere das AlFeCrTi, in den Ölen FUCHS PCX 0W-30 und dem Polyglykol PPG32-2+2,6 Phopani eine mit dem hochgekohlten Grauguß GGL20HCN vergleichbare Verschleißbeständigkeit aufweist. In Bild 19 ist noch der Verschleißkoeffizient eines Langzeitversuches (108 km) wiedergegeben, wodurch ein starkes, verschleißsenkendes Einlaufverhalten der AlFeCrTi-Legierung dokumentiert wird.
  • Kurbelwellen-Gleitlagerschalen aus „eutektischer" AlSi12CuNiMg (Karl Schmidt GmbH, KS 1275 (3210.9), heute Kolbenschmidt AG mit 11-13,5% Si, 0,5-1 ,3 Cu, 0,8-1,3 Mg, 0,5-1,3 Ni, ∼0,25 Zn, ∼0,1 % Cr, Rest Al) fanden im Doppelstern-Flugmotor BMW 801 anwendung (Ing. Buske, Die Abhängigkeit der Lagerbelastbarkeit von der Lagerbauform, Bericht über die Schmierstoff-Tagung, Teil 1: Reibung und Verschleiß, Kälteverhalten, 11./12. 12. 1941, Berlin-Adlershof, S. 119-148), wobei der Kurbelwellenzapfen aus einem "Nitrierstahl" mit HRC 58 bestand. Eine derartige Werkstofflösung ist in der Automobil- und Baumaschinenindustrie seitdem unüblich. Die heutigen Laufflächen der Gleitlagerschalen aus AlSn14Cu8, AlSn20, PbSn10Cu3, GZ- CuSn7ZnPb oder Bleibronzen erfordern in den Schmierstoffen Korrosionschutzadditive für Bundmetalle, welche die ökotoxikologischen Eigenschaften deutlich verschlechtern. AlSi- oder AlFeXY-Legierungen sind insgesamt weniger korrosionsgefährdet und ermöglichen einen Verzicht oder eine deutliche Senkung der Konzentration der Korrosionsschutzadditive. Bekannt im Stand der Technik ist noch eine Al96(Ni,Mn)-Legierung (Glyco-172) mit einer maximal zulässigen geometrischen Lagerpressung von 80 MPa, welche ermüdungs- und korrosionsbeständig ist, jedoch neigt sie unter Mangelschmierung zum adhäsiven Versagen, was durch die AlFeXY-Metallurgie unterdrückt wird.
  • Die tribologische Grenzbelastbarkeit von 100 MPa (geometrische Flächenpressung) der Gleitpaarung „AlSi12CuNiMg/Nitrierstahl" bei einer Öleintrittstemperatur von 99°C des vollsynthetischen Schmierstoffes „SS-1600" auf Basis eines Adipinesters und Ethylenöles ist bemerkenswert, da es mit einer kinematischen Viskosität η100C∼ 6,2 mm2/s noch deutlich „dünner" war als heutige Leichtlauföle mit η100C∼ 9-12 mm2/s.
  • Weiterhin vorteilhaft eines AlFeXY-Systems ist, daß die Verschleißschutz- und Hochdruckadditive in Motor- und Getriebölen auf Eisen abgestimmt sind und nicht auf Silizium.
  • Ventilführungen erfordern eine hohe thermische Diffusivität, da sie die Wärme aus dem Ventilschaft in den Zylinderkopf ableiten, verbunden mit einer entsprechenden Verschleißbeständigkeit. Deshalb bestehen Ventilführungen bevorzugt aus Kupferbasis-Legierungen, wie CuZn36Mn3Al2SiPb (≅ CuZn40Al2 nach DIN 17660 bzw. CW713R) mit λRT ∼63 W/mK bzw. KRT ∼ 19,7 mm2/s. An den Oberflächen im unteren Teil der Führung des Auslaßventiles sind Temperaturen von 500°C nicht ungewöhnlich. Die erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen offerieren eine 3-4 mal höhere thermische Diffusivität verbunden mit der notwendigen Temperaturbeständigkeit ohne Schmelzgleichgewichte bis >600°C.
  • Aluminium-Kolbenwerkstoffe bestehen aus eutektischen AlSi12CuXX-Legierungen oder übereutektischen AlSi18CuXX-Legierungen mit ebenfalls bis zu 0,85 Gew.-% Eisen. Die thermischen Diffusivitäten liegen zwischen 55 mm2/s < KRT < 61,7 mm2/s.
  • Tabelle 1 : Leichtmetall-Legierungen für Zylinderlaufbahnen
    Figure 00080001
  • Tabelle 2 : Verschleißkoeffizienten unter Misch-/Grenzreibung von AlSi-Legierungen (chemisch freigestellt) in der BAM-Prüfanordnung (T= 170°C; s= 24 km; v= 0,3 m/s) im Vergleich zum Al84,4Fe7,0Cr6,0Ti2,5Mg0,1
    Figure 00080002
    •

Claims (9)

  1. Gleitelemente eines Verbrennungsmotors oder Hydrauliksystems, welche unter den Reibungszuständen der Misch/Grenzreibung und/oder der Hydrodynamik aber auch des Trockenlaufs (mit Trockenlaufanteilen) betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß diese im Werkstoffvolumen und/oder an der Reiboberfläche aus einer Aluminiumbasis-Legierung mit mindestens 80 Gew.-% Aluminium besteht,
  2. Die Aluminiumbasislegierung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch von maximal 20 Gew.-% aus den Legierungselementen Fe, V, Mn, Ce, Ti, Si, Nb, Ni, Cr, Zr und Mo zulegiert werden kann,
  3. Die Aluminiumbasislegierung nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß Silizium kleiner als 2,0 Gew.-% enthalten ist,
  4. Die Aluminiumbasislegierung nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung zusätzlich mit einem Gemisch von maximal 1,5 Gew.-%, vorzugsweise von maximal 0,8 Gew.-% der Elemente Bor, Ce, Sr, Sc, Mg, Zr und/oder Nb korngefeint werden kann,
  5. Die Aluminiumbasislegierung nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstärkung keramische Fasern, Partikel und/oder Platelets werden können,
  6. Die Aluminiumbasislegierung nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebung und Verarbeitung durch metallurgische Schmelzgießprozesse des Sandgußes, Druckgusses, Stranggusses oder Dünnbandgießens oder OSPREY an Luft oder im Vakuum oder unter Stickstoff-, Argon- oder CO2-Atmosphäre erfolgt,
  7. Die Aluminiumbasislegierung nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Erstarrungsfront magnetisches Rühren eingesetzt werden kann,
  8. Die Aluminiumbasislegierung nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Gießtemperatur kleiner als 790°C ist,
  9. Die Aluminiumbasislegierung nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß Kurbelwellenlagerschalen, Zylinderlaufbahnen, Kolbenringe, Kolben, Ventilführungen und Lagerbuchsen die Triboelemente bilden.
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