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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung, die für Fahrzeugteile verwendet wird, die Verschleißfestigkeit und Selbstschmierfähigkeit erfordern können, und ein Verfahren zum Vorbereiten der Aluminiumlegierung. Insbesondere liefert die vorliegende Erfindung eine Aluminiumlegierung mit einer komplexen Mikrostruktur, die verschleißfeste Partikel und selbstschmierende weiche Partikel enthalten kann.
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HINTERGRUND
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Als eine Aluminiumlegierung wird im Allgemeinen eine hypereutektische Aluminium-Silizium-Legierung (Al-Si-Legierung) mit ca. 13,5 bis 18 Gew.-% oder ca. 12 Gew.-% Silizium (Si) und ca. 2 bis ca. 4 Gew.-% Kupfer (Cu) in einer Fahrzeugindustrie verwendet. Da solch eine herkömmliche hypereutektische Al-Si-Legierung eine Mikrostruktur mit primären Siliziumpartikeln (Si-Partikeln) mit einer Größe von ca. 30 bis ca. 50 um aufweist, kann dieselbe im Vergleich zu nur Al-Fe-Legierungen eine verbesserte Verschleißfähigkeit aufweisen und folglich kann dieselbe im Allgemeinen für Fahrzeugteile verwendet werden, die Verschleißfähigkeit erfordern können, wie beispielsweise eine Schaltgabel, Heckverkleidung, Taumelscheibe und Ähnliches. Ein Beispiel handelsüblicher Legierungen kann Folgendes enthalten: eine Legierung vom Typ R14 (hergestellt von Ryobi Corporation, Japan), eine Legierung vom Typ K14, die der R14-Legierung ähnelt, eine Legierung vom Typ A390, die für einen Monoblock oder eine Aluminiumauskleidung verwendet wird, und Ähnliches.
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Jedoch können solche hypereutektischen Legierungen Probleme aufgrund eines hohen Siliziumgehalts aufweisen, wie beispielsweise eine geringe Gießbarkeit, eine geringe Schlagbiegefestigkeit und Ähnliches. Zudem kann die Abstimmung der Größe und Verteilung von Siliziumpartikeln (Si-Partikeln) schwierig sein und die Herstellung von hypereutektischen Legierungen kann aufgrund eines speziell entwickelten Prozesses kostspieliger als die anderer Aluminiumlegierungen sein.
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Indessen kann eine Al-Sn-Legierung ein anderes Beispiel einer selbstschmierenden Aluminiumlegierung für Fahrzeugteile sein. Die Al-Sn-Legierung kann ca. 8 bis ca. 15 Gew.-% Zinn (Sn) und ferner eine Mikrostruktur aus selbstschmierenden weichen Zinnpartikeln (Sn-Partikeln) enthalten, die Reibung verringern können. Daher kann solch eine Al-Sn-Legierung als Basiswerkstoff von Metalllagern verwendet werden, die bei Verbindungen mit einem hohen Reibungskontakt verwendet werden. Diese Al-Sn-Legierung kann aufgrund einer geringen Festigkeit, beispielsweise ca. 150 MPa oder weniger, jedoch für strukturelle Fahrzeugteile nicht geeignet sein, obwohl die Festigkeit durch den Siliziumgehalt (Si-Gehalt) verstärkt werden kann.
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Aus der
US 4 452 866 A kennt man bereits eine Aluminiumlegierung, die 2,5 bis 25 Gew.-% Zinn, 0,5 bis 8 Gew.-% Zink und 1 bis 7 Gew.-% mindestens eines Elements ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silizium, Chrom, Mangan, Nickel, Eisen, Zirkonium, Molybdän, Kobalt, Wolfram, Titan, Antimon, Niob, Vanadium, Cer, Barium und Calcium umfasst, wobei der Rest im Wesentlichen Aluminium ist. In der Aluminiumlegierung können 0,1 bis weniger als 1 Gew.-% Chrom oder dergleichen enthalten sein. Die Legierung kann effektiv bei einem Lager für eine Kurbelwelle eines Automobils oder dergleichen eingesetzt werden.
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In der
EP 0 947 260 A1 ist die Verwendung von monotektischen Legierungen zur Herstellung von Gleitlagern mit im flüssigen Zustand vergleichsweise großer Mischungslücke und nach Erstarrung in der Matrix eingelagerten, eine größere Dichte als die Matrix selbst aufweisenden, in Tröpfchenform vorliegenden Minoritätsphase beschrieben, erhältlich durch Stranggießen einer auf eine Temperatur oberhalb der Entmischungstemperatur erhitzten Schmelze mit großer Gieß- und Abkühlgeschwindigkeit zur direkten Plattierung von Stahlträgern ohne Anwendung von Zwischenschichten sowie die damit erhältlichen Gleitlager.
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Die oben als eine verwandte Technik der vorliegenden Erfindung gelieferte Beschreibung dient lediglich zum Unterstützen des Verständnisses des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung und sollte nicht ausgelegt werden in der verwandten Technik enthalten zu sein, die jemandem mit technischen Fähigkeiten bekannt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung kann eine technische Lösung zu den oben erwähnten Problemen liefern. Daher liefert die vorliegende Erfindung in einem Aspekt eine neuartige hochfeste und verschleißfeste Legierung mit einer Mikrostruktur, die von sowohl harten Partikeln als auch weichen Partikeln derselben erhalten werden kann. Insbesondere kann die neuartige Legierung die Verschleißfestigkeit von einer hypereutektischen Al-Si-Legierung und die Selbstschmierfähigkeit von einer Al-Sn-Legierung aufweisen.
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In einer beispielhaften Ausführungsform liefert die vorliegende Erfindung eine verschleißfeste Legierung mit einer komplexen Mikrostruktur, die Folgendes enthalten kann: mehr als 8 bis 17 Gew.-% Zink (Zn); 5 bis 8 Gew.-% Zinn (Sn); 1,0 bis 2,0 Gew.-% Eisen (Fe); optional einen Bereich von 1 bis 3 Gew.-% Kupfer (Cu); optional einen Bereich von 0,3 bis 0,8 Gew.-% Magnesium (Mg); und einen Ausgleich bzw. Rest aus Aluminium (Al). Zudem kann die verschleißfeste Legierung ca. 1 bis ca. 3 Gew.-% Kupfer (Cu) und ca. 0,3 bis ca. 0,8 Gew.-% Magnesium (Mg) enthalten.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform liefert die vorliegende Erfindung eine verschleißfeste Legierung mit einer komplexen Mikrostruktur, die Folgendes enthalten kann: mehr als 10 bis 17 Gew.-% Zink (Zn); 5 bis 8 Gew.-% Bismut (Bi); 1,0 bis 2,0 Gew.-% Eisen (Fe); und einen Rest aus Aluminium (Al).
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die oben erwähnten und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun in Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen derselben detailliert beschrieben werden, die in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht sind, die nachstehend nur zur Veranschaulichung dienen und die vorliegende Erfindung folglich nicht beschränken und in denen:
- 1 ein beispielhafter Graph ist, der eine Korrelation zwischen einem Reibungskoeffizienten und einem Zinngehalt (Sn-Gehalt) in Gew.-% oder Zinkgehalt (Zn-Gehalt) in Gew.-% von verschleißfesten Legierungen mit einer komplexen Mikrostruktur nach einer beispielhaften Ausführungsform von Beispielen und Vergleichsbeispielen in Bezug auf weiche Partikel zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Nachstehend werden verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben werden. Die vorliegende Erfindung betrifft eine neuartige Legierung mit einer komplexen Mikrostruktur, die sowohl harte Partikel als auch weiche Partikel enthalten kann.
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Bei bestimmen Beispielen herkömmlicher Aluminiumlegierungen können Legierungselemente zum Bilden selbstschmierender Partikel Zinn (Sn), Blei (Pb), Bismut (Bi), Zink (Zn) und Ähnliches enthalten. Diese Legierungselemente können nicht in intermetallische Verbindungen gebildet werden, da dieselben nicht mit Aluminium reagieren können, und die Phase derselben kann getrennt sein. Ferner können diese Legierungselemente relativ niedrige Schmelzpunkte aufweisen und Selbstschmierfähigkeit zum Bilden eines Schmierfilms aufweisen, während dieselben unter einer starken Reibungsbedingung teilweise schmelzen.
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Unter den oben erwähnten vier Legierungselementen kann Blei (Pb) das geeignetste Elemente zum Bilden selbstschmierender Partikel sein, wenn sowohl die Selbstschmierfähigkeit als auch die Kosten betrachtet werden. Blei ist jedoch in Fahrzeugen verboten, da dasselbe als ein schädliches Metallelement klassifiziert ist. Diesbezüglich kann anstelle von Pb Zinn (Sn) das am weitesten verbreitete Element sein und gelegentlich kann Bismut (Bi) anstelle von Sn verwendet werden. Im Gegensatz dazu kann Zink (Zn) aufgrund eines im Wesentlichen hohen Schmelzpunktes im Vergleich zu Sn und Bi und einer im Wesentlichen geringen Selbstschmierfähigkeit nachteilig sein. Jedoch kann Zn aufgrund geringer Kosten in einer relativ erheblichen Menge hinzugefügt werden. Daher kann hinsichtlich der Kostenwettbewerbsfähigkeit Zn zum Bilden von weichen Partikeln und teilweise Ersetzen des kostspieligen Sn oder Bi verwendet werden.
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Ferner kann Si oder Fe ein Legierungselement zum Bilden harter Partikel sein. Si oder Fe kann eine eutektische Reaktion zusammen mit Al verursachen und winkelförmige harte Partikel bilden, wenn dasselbe in einer vorbestimmten Menge oder mehr hinzugefügt wird. Bei einem Beispiel von Aluminiumlegierungen kann Si harte Partikel bilden und primäre Siliziumpartikel bilden. Si kann Verschleißfestigkeit liefern, wenn dasselbe einer Al-Si-Zweistofflegierung in einer Menge von ca. 12,6 Gew.- % oder mehr hinzugefügt wird. Wenn Si zusammen mit Zn, das ein Element zum Bilden von weichen Partikeln ist, hinzugefügt wird, kann jedoch der Si-Gehalt gemäß dem Zn-Gehalt zum Bilden harter Partikel verändert werden. Beispielsweise kann der Si-Gehalt mindestens ca. 7 Gew.-% bis höchstens ca. 14 Gew.-% betragen, wenn der Zn-Gehalt ca. 10 Gew.-% beträgt. Wenn der Si-Gehalt weniger als mindestens ca. 7 Gew.-% beträgt, können keine harten Partikel gebildet werden; und, wenn der Si-Gehalt mehr als höchstens 14 Gew.-% beträgt, kann die Größe der harten Partikel erheblich zunehmen und dadurch eine negative Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften und Verschleißfestigkeit verursachen.
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In Al-Si-Legierungen kann Fe eine Verunreinigung sein. Wenn eine Al-Si-Zweistofflegierungen jedoch kein Si enthält und Fe in einer Menge von ca. 0,5 Gew.-% oder weniger hinzugefügt wird, können verschleißfeste Al-Fe-Partikel einer intermetallischen Verbindung gebildet werden, wobei die Al-Si-Legierung dadurch mit Verschleißfestigkeit versehen wird. Wenn Fe in einer Menge von ca. 3 Gew.-% oder mehr hinzugefügt wird, können im Gegensatz dazu die Partikel einer intermetallischen Verbindung übermäßig gebildet werden, wobei dadurch die mechanischen Eigenschaften herabgesetzt werden und der Schmelzpunkt erhöht wird.
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Ferner können Legierungselemente zum Verstärken der Festigkeit einer beispielhaften Aluminiumlegierung Cu und Mg enthalten. Cu kann beim Bilden von intermetallischen Verbindungen und Erhöhen der Festigkeit durch eine chemische Reaktion mit Al wirksam sein. Die Wirkung von Cu kann abhängig von dem Cu-Gehalt, den Gieß-/Abkühlbedingungen oder Wärmebehandlungsbedingungen variieren. Zudem kann Mg beim Bilden von intermetallischen Verbindungen und Erhöhen der Festigkeit durch eine chemische Reaktion mit Si oder Zn wirksam sein. Die Wirkung von Mg kann auch abhängig von dem Mg-Gehalt, den Gieß-/Abkühlbedingungen oder Wärmebehandlungsbedingungen variieren.
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Nachstehend wird die vorliegende Erfindung in detaillierten beispielhaften Ausführungsformen beschrieben werden.
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In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Aluminiumlegierung Aluminium (Al) als einen Hauptbestandteil enthalten und ferner ca. 8 bis ca. 17 Gew.-% Zink (Zn); ca. 5 bis ca. 8 Gew.-% Zinn (Sn); ca. 1 bis ca. 3 Gew.-% Kupfer (Cu); ca. 0,3 bis ca. 0,8 Gew.-% Magnesium (Mg); und ca. 1,0 bis ca. 2,0 Gew.-% Eisen (Fe) zum Bilden harter Partikel enthalten. Wenn Zink (Zn) in einer Menge von weniger als 8 Gew.-% hinzugefügt wird, kann keine ausreichende Menge weicher Zn-Partikel ausgebildet werden und folglich kann es schwierig sein eine ausreichende Selbstschmierfähigkeit zu erhalten. Wenn Zink (Zn) in einer Menge von mehr als ca. 17 Gew.-% hinzugefügt wird, kann die Liquidus-Linie der Aluminiumlegierung im Wesentlichen gesenkt werden, wobei dadurch die Gießbedingungen herabgesetzt werden.
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Zudem kann Zinn (Sn) eine höhere Selbstschmierfähigkeit als Zink (Zn) aufweisen. Wenn Zinn (Sn) in einer Menge von weniger als 5 Gew.-% hinzugefügt wird, kann keine ausreichende Menge weicher Sn-Partikel gebildet werden und folglich kann es schwierig sein die unzureichende Selbstschmierfähigkeit von weichen Zn-Partikeln zu kompensieren. Wenn Zinn (Sn) in einer Menge von mehr als 8 Gew.-% hinzugefügt wird, kann der Schmelzpunkt der Aluminiumlegierung im Wesentlichen gering werden und folglich kann solch eine Aluminiumlegierung nicht als handelsüblicher Werkstoff verwendet werden.
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Eisen (Fe) kann harte Partikel bilden. Wenn Eisen (Fe) in einer Menge von weniger als ca. 1,0 Gew.-% hinzugefügt wird, können weiche Al-Fe-Partikel einer intermetallischen Verbindung nicht ausreichend gebildet werden, beispielsweise weniger als ca. 0,5 Gew.-%, und es kann schwierig sein die Verschleißfestigkeit sicherzustellen. Wenn Eisen (Fe) in einer Menge von mehr als ca. 2,0 Gew.-% hinzugefügt wird, können die weichen Al-Fe-Partikel einer intermetallischen Verbindung übermäßig gebildet werden, beispielsweise mehr als ca. 5 Gew.-%, und folglich können diese weichen Partikel vergröbert werden und dadurch eine negative Auswirkung auf die Verschleißfestigkeit und die mechanischen Eigenschaften verursachen.
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Kupfer (Cu) kann die mechanischen Eigenschaften verbessern und Kupfer (Cu) kann in einer Menge von ca. 1 Gew.-% oder mehr hinzugefügt werden, um ausreichende mechanische Eigenschaften sicherzustellen. Wenn Kupfer (Cu) in einer Menge von mehr als ca. 3 Gew.-% hinzugefügt wird, können jedoch andere Elemente und intermetallische Verbindungen gebildet werden, um die mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung herabzusetzen. Folglich kann die Menge an Kupfer (Cu) begrenzt sein. Alternativ kann Magnesium (Mg) anstelle von Kupfer (Cu) in einer Menge von ca. 0,3 Gew.-% oder mehr hinzugefügt werden und die mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung können zusätzlich verbessert werden. Wenn Magnesium (Mg) in einer Menge von mehr als ca. 0,8 Gew.-% hinzugefügt wird, können jedoch Verbindungen, die die mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung herabsetzen, gebildet werden, und folglich kann die Menge an Mg begrenzt sein.
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Die Charakteristiken einer geringen Reibung der Al-Zn-Sn-Legierung nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurden in Bezug auf weiche Partikel evaluiert. Wie in 1 gezeigt, wurden beispielhafte Legierungen der Beispiele und Vergleichbeispiele vorbereitet, während die Menge an Zn und Sn verändert wurde, und dann wurden die Veränderungen der Reibungskoeffizienten der Legierungen gemessen. Unter einer Bedingung von ca. 5 Gew.-% Sn kann folglich eine beispielhafte 5Sn-9Zn-Legierung des Beispiels erwünschte Charakteristiken einer geringen Reibung erzielen, beispielsweise ein Reibungskoeffizient von ca. 0,150 oder weniger, und beispielhafte 5Sn-5Zn- und 5Sn-7Zn-Legierungen der Vergleichsbeispiele können unerwünschte Ergebnisse erzielen. Wenn Zn in einer Menge von ca. 8 Gew.-% oder mehr hinzugefügt wird, wohingegen Sn in einer Menge von ca. 5 Gew.-% oder mehr hinzugefügt wird, können daher erwünschte Charakteristiken einer geringen Reibung erzielt werden. Selbst wenn die Menge an Sn und Zn zunimmt, können zudem zufriedenstellende Charakteristiken einer geringen Reibung erzielt werden.
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Die Ergebnisse der Evaluierung der Verschleißfestigkeit und mechanischen Eigenschaften der beispielhaften Al-Zn-Sn-Legierungen der Beispiele und Vergleichsbeispiele sind in Tabelle 1 unten angegeben. Tabelle 1
| Klass. | Al (Gew.- %) | Zn (Gew.- %) | Sn (Gew.- %) | Fe (Gew.- %) | Cu (Gew.- %) | Mg (Gew.- %) | Al-Fe-Partikelanteil (%) | Liquidus-Linie (°C) | Festigkeit (MPa) |
| Vergleichsbeispiele | Rest | 15 | 5 | 0,6 | 2 | 0,5 | 0 | - | - |
| Rest | 15 | 5 | 0,8 | 2 | 0,5 | 0,2 | - | - |
| Beispiele | Rest | 15 | 5 | 1,0 | 2 | 0,5 | 0,5 | - | 370 |
| Rest | 15 | 5 | 1,8 | 2 | 0,5 | 4,0 | 710 | 295 |
| Rest | 15 | 5 | 2,0 | 2 | 0,5 | 5,0 | 720 | 305 |
| Vergleichsbeispiel | Rest | 15 | 5 | 2,2 | 2 | 0,5 | 5,2 | 730 | - |
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In der Tabelle 1 können bei beispielhaften Al-15Zn-5Sn-yFe-Legierungen der Vergleichsbeispiele, die ca. 0,8 Gew.-% Fe enthalten können, Al-Fe-Partikel in Form von weichen Partikeln in minimalen Mengen, beispielsweise weniger als ca. 0,5 Gew.-%, gebildet werden und daher kann eine unzureichende Verschleißfestigkeit erhalten werden. Wenn Fe in einer übermäßigen Menge von ca. 2,2 Gew.-% enthalten ist, können im Gegensatz dazu Al-Fe-Partikel als weiche Partikel in überschüssigen Mengen, beispielsweise mehr als ca. 5 Gew.-%, gebildet werden und folglich können gegenteilige Effekte aufgrund der Vergröberung von intermetallischen Verbindungen auftreten. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform können zudem bei Al-15Zn-5Sn-yFe-Legierungen der Beispiele, die ca. 1,0 bis ca. 2,0 Gew.-% Fe enthalten können, Al-Fe-Partikel (weiche Partikel) in geeigneten Mengen (z.B. vorbestimmte Mengen) gebildet werden und die Festigkeiten derselben können ca. 295 bis ca. 370 MPa betragen und folglich können sowohl die Verschleißfestigkeit als auch die mechanischen Eigenschaften verbessert werden.
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Die Aluminiumlegierung nach einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann Folgendes enthalten: ca. 8 bis ca. 17 Gew.-% Zink; ca. 5 bis ca. 8 Gew.-% Bismut (Bi), ca. 1,0 bis ca. 2,0 Gew.-% Eisen (Fe); und einen Rest aus Aluminium (A1). Insbesondere kann anstelle von Zinn (Sn) Bismut (Bi) als ein starker selbstschmierender Werkstoff verwendet werden.
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Wie oben beschrieben wurde, kann die verschleißfeste Legierung mit einer komplexen Mikrostruktur nach beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sowohl die Verschleißfestigkeit wie von einer hypereutektischen Al-Si-Legierung als auch die Selbstschmierfähigkeit wie von einer Al-Sn-Legierung aufweisen und dadurch eine hohe Festigkeit und verbesserte Verschleißfestigkeit erzielen.
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Zwar wurden die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichenden Zwecken offenbart, aber jemand mit technischen Fähigkeiten wird einsehen, dass verschiedene Modifikationen, Ergänzungen und Ersetzungen möglich sind, ohne von dem Bereich und Wesen der Erfindung abzuweichen, die in den beiliegenden Ansprüchen offenbart sind.
