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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung zur Verwendung in Fahrzeugteilen, die Verschleißfestigkeit und Selbstschmierung erfordern können, und ein Verfahren zum Herstellen der Aluminiumlegierung. Insbesondere ist die Aluminiumlegierung mit einer komplexen Mikrostruktur geliefert, die verschleißfeste harte Partikel und selbstschmierende weiche Partikel enthalten kann.
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HINTERGRUND
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Eine verschleißfeste Aluminiumlegierung zur Verwendung in Fahrzeugteilen kann eine hypereutektische Al-Si-Legierung enthalten, die ca. 13,5 bis ca. 18 Gew.-% oder insbesondere ca. 12 Gew.-% oder mehr Silizium (Si) und ca. 2 bis ca. 4 Gew.-% Kupfer (Cu) enthalten kann. Die hypereutektische Al-Si-Legierung kann eine Mikrostruktur aufweisen, in der primäre Si-Partikel mit einer Größe von ca. 30 bis ca. 50 um enthalten sind, und im Vergleich zu nur Al-Si-Legierungen eine verbesserte Verschleißfähigkeit aufweisen. Folglich kann solch eine hypereutektische Al-Si-Legierung in Fahrzeugteilen meistbenutzt sein, die Verschleißfähigkeit erfordern, wie beispielsweise eine Schaltgabel, Heckverkleidung, Taumelscheibe und Ähnliches.
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Beispiele typischer handelsüblicher Legierungen können eine Legierung vom Typ R14 (Ryobi, Japan), eine Legierung vom Typ K14, die der R14-Legierung ähnelt, und eine Legierung vom Typ A390 enthalten, die in einem Monoblock oder einer Aluminiumauskleidung verwendet wird.
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Solch eine hypereutektische Legierung mit einem hohen Si-Gehalt kann jedoch eine verringerte Gießbarkeit aufweisen und das Steuern der Größe und Verteilung der Si-Partikel kann schwierig sein. Ferner kann diese Legierung eine geringe Schlagbiegefestigkeit aufweisen und speziell entwickelt sein und folglich mehr als herkömmliche Aluminiumlegierungen kosten.
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Zudem kann ein Beispiel einer selbstschmierenden Aluminiumlegierung zur Verwendung in Fahrzeugteilen eine Al-Sn-Legierung enthalten. Diese Al-Sn-Legierung kann ca. 8 bis ca. 15 Gew.-% Zinn (Sn) enthalten und folglich können selbstschmierende weiche Sn-Partikel in einer Mikrostruktur erzeugt werden und dadurch Reibung verringern. Infolgedessen wird diese Legierung als Basiswerkstoff für ein Metalllager bei Verbindungen mit einem hohen Reibungskontakt verwendet. Zwar kann die Festigkeit durch Hinzufügen von Si verstärkt werden, aber diese Legierung kann eine geringe Festigkeit von ca. 150 MPa oder weniger aufweisen und nicht in strukturellen Teilen verwendet werden.
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Aus der
EP 0 947 260A1 kennt man bereits 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, 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 folglich eine technische Lösung zu den oben beschriebenen Problemen liefern. Insbesondere liefert die vorliegende Erfindung eine neuartige Legierung mit einer komplexen Mikrostruktur, die sowohl harte Partikel als auch weiche Partikel enthalten kann. Daher kann die neuartige Legierung eine selbstschmierende, hochfeste und verschleißfeste Legierung mit sowohl der Verschleißfestigkeit von einer hypereutektischen Al-Si-Legierung als auch der Selbstschmierung von einer Al-Sn-Legierung sein.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine verschleißfeste Legierung mit einer komplexen Mikrostruktur einen Bereich von 8 bis 17 Gew.-% Zink (Zn), einen Bereich von 5 bis 8 Gew.-% Zinn (Sn), einen Bereich von 9,4 bis 12,6 Gew.-% Silizium (Si), 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) aufweisen. Zudem kann die verschleißfeste Legierung einen Bereich von 1 bis 3 Gew.-% Kupfer (Cu) und einen Bereich von 0,3 bis 0,8 Gew.-% Magnesium (Mg) aufweisen.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform liefert die vorliegende Erfindung eine verschleißfeste Legierung mit einer komplexen Mikrostruktur, die einen Bereich von 8 bis 17 Gew.-% Zink (Zn), einen Bereich von 5 bis 8 Gew.-% Bismut (Bi), einen Bereich von 9,4 bis 12,6 Gew.-% Silizium (Si) und einen Rest aus Aluminium (Al) aufweisen kann.
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Es ist klar, dass Gewichtsprozent von Legierungsbestandteilen, die hierin offenbar sind, auf dem Gesamtgewicht der Legierung basieren, sofern nicht anderweitig angegeben.
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Ferner sind Fahrzeuge und Fahrzeugteile geliefert, die eine oder mehrere der hierin offenbarten Legierungen aufweisen. Bevorzugt sind Kraftfahrzeugteile, die eine Legierung aufweisen, die hierin offenbart ist.
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Andere Aspekte der Erfindung sind unten offenbart.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die oben erwähnten und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung eindeutiger verständlich, in der:
- 1 einen beispielhaften Graph veranschaulicht, der eine Korrelation zwischen einem Reibungskoeffizienten und einer Menge an Sn oder Zn, die weiche Partikel bilden können, in Beispielen und Vergleichsbeispielen für eine verschleißfeste Legierung mit einer komplexen Mikrostruktur nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Nachstehend wird eine verschleißfeste Legierung mit einer komplexen Mikrostruktur nach verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben werden.
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Die vorliegende Erfindung liefert 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 Legierungen können Legierungselemente zum Erzeugen selbstschmierender Partikel Zinn (Sn), Blei (Pb), Bismut (Bi), Zink (Zn) und Ähnliches enthalten.
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Da diese Elemente mit Al nicht chemisch reagieren, können keine intermetallischen Verbindungen erzeugt werden und keine Phasentrennung auftreten. Ferner können solche Elemente, die im Wesentlichen niedrige Schmelztemperaturen aufweisen können, Selbstschmierung zum Bilden eines Schmierfilms besitzen, während dieselben unter starken Reibungsbedingungen teilweise zum Schmelzen gebracht werden.
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Unter den zuvor erwähnten vier chemischen Elementen kann Blei (Pb) das geeignetste Elemente zum Erzeugen selbstschmierender Partikel hinsichtlich der Selbstschmierung und Kosten sein. Blei ist jedoch ein schädliches Metallelement und in einer Fahrzeugindustrie verboten.
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Daher kann in einer beispielhaften Ausführungsform anstelle von Pb Zinn (Sn) weitestgehend verwendet werden oder alternativ Bismut (Bi) anstelle von Pb verwendet werden. Zudem kann Zink (Zn) im Vergleich zu Sn und Bi eine im Wesentlichen hohe Schmelztemperatur und eine im Wesentlichen geringe Selbstschmierung aufweisen. Daher kann Zn in einer im Wesentlichen großen Menge aufgrund der geringen Kosten desselben hinzugefügt werden und als ein Element zum Produzieren weicher Partikel und Ersetzen eines Anteils der Menge an kostspieligem Sn oder Bi in Anbetracht der preislichen Wettbewerbsfähigkeit von Werkstoffen verwendet werden.
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In einer beispielhaften Ausführungsform können die Legierungselemente zum Produzieren harter Partikel Silizium (Si) und Eisen (Fe) enthalten. Si oder Fe kann eine eutektische Reaktivität mit Al aufweisen und winkelförmige harte Partikel produzieren, wenn in einer Menge gleich einer vorbestimmten Menge oder größer als dieselbe hinzugefügt. Bei der Aluminiumlegierung kann Si harte Partikel produzieren und Verschleißfestigkeit liefern. Insbesondere können primäre Si-Partikel produziert werden, wenn Si in einer Menge von ca. 12,6 Gew.-% oder mehr in der Al-Si-Zweistofflegierung hinzugefügt wird. Wenn Si zusammen mit Zn zum Produzieren von weichen Partikeln hinzugefügt wird, kann jedoch die Menge an Si abhängig von der Menge an Zn variieren, um harte Partikel zu produzieren. Wenn die Menge an Zn ca. 10 Gew.-% beträgt, kann Si beispielsweise in einer Menge von ca. 7 Gew.-% bis ca. Gew.-% hinzugefügt werden. Wenn Si in einer Menge von weniger als ca. 7 Gew.-% hinzugefügt wird, können keine harten Partikel produziert werden. Wenn Si in einer Menge von mehr als 14 Gew.-% hinzugefügt wird, können im Gegensatz dazu harte Partikel vergrößert werden und sich dadurch negativ auf die mechanischen Eigenschaften und die Verschleißfestigkeit auswirken.
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In einer beispielhaften Ausführungsform kann Eisen (Fe) eine Verunreinigung in Al-Si-Legierungen sein. Wenn Fe in einer Menge von ca. 0,5 Gew.-% oder mehr in der Al-Fe-Zweistofflegierung ohne Si hinzugefügt wird, können jedoch verschleißfeste Al-Fe-Partikel einer intermetallischen Verbindung gebildet werden und die Verschleißfestigkeit kann verbessert werden. Wenn Fe in einer Menge von ca. 3 Gew.-% oder mehr hinzugefügt wird, kann andererseits die intermetallische Verbindung übermäßig gebildet werden und dadurch die mechanischen Eigenschaften herabsetzen und die Schmelztemperatur erhöhen.
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Nachstehend wird die vorliegende Erfindung in detaillierten beispielhaften Ausführungsformen beschrieben werden.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Aluminiumlegierung in erster Linie Al, einen Bereich von ca. 8 bis 17 Gew.-% Zn, einen Bereich von ca. 5 bis 8 Gew.-% Sn, einen Bereich von ca. 1 bis 3 Gew.-% Cu, einen Bereich von ca. 0,3 bis 0,8 Gew.-% Mg und einen Bereich von ca. 9,4 bis 12,6 Gew.-% Si zum Produzieren harter Partikel enthalten. Wenn Zn in einer Menge von weniger als ca. 8 Gew.-% hinzugefügt wird, kann insbesondere die Erzeugung der Zn-Phase in Form von weichen Partikeln im Wesentlichen gering sein und keine ausreichende Selbstschmierung erhalten werden. Wenn Zn in einer Menge von mehr als ca. 17 Gew.-% hinzugefügt wird, kann im Gegensatz dazu der Solidus der Legierung im Wesentlichen niedrig sein und folglich können sich ungünstige Gießbedingungen ergeben.
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In einer beispielhaften Ausführungsform kann, wenn Sn mit einer höheren Selbstschmierung als Zn in einer Menge von weniger als ca. 5 Gew.-% hinzugefügt wird, die Erzeugung der Sn-Phase in Form von weichen Partikeln erheblich sein und folglich kann die geringe Selbstschmierung der Zn-Phase nicht kompensiert werden. Wenn Sn in einer Menge von mehr als 8 Gew.-% hinzugefügt wird, kann im Gegensatz dazu die sich ergebende Aluminiumlegierung eine im Wesentlichen niedrige Schmelztemperatur aufweisen und nicht als kommerziell nützlicher Werkstoff verwendet werden.
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In einer beispielhaften Ausführungsform kann, wenn Si zum Produzieren harter Partikel in einer Menge von weniger als ca. 9,4 Gew.-% hinzugefügt wird, primäres Si in Form von harten Partikeln nicht ausreichend produziert werden, beispielsweise weniger als ca. 0,5 %, und folglich kann die Verschleißfestigkeit nicht sichergestellt werden. Wenn Si in einer Menge von mehr als ca. 12,6 Gew.-% hinzugefügt wird, können im Gegensatz dazu harte Partikel übermäßig produziert werden, beispielsweise mehr als ca. 5%, und folglich können die harten Partikel vergröbert werden und die Verschleißfestigkeit und mechanischen Eigenschaften können sich verschlechtern.
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Wenn Cu hinzugefügt wird, um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern, kann zudem die Menge an Cu ca. 1 Gew.-% oder mehr betragen, um angemessene mechanische Eigenschaften sicherzustellen. Wenn Cu in einer Menge von mehr als 3 Gew.-% hinzugefügt wird, können jedoch intermetallische Verbindungen mit anderen Elementen produziert werden und die mechanischen Eigenschaften können sich verschlechtern. Daher kann die Menge an Cu wie oben begrenzt sein. Alternativ kann Mg in einer Menge von ca. 0,3 Gew.-% oder mehr hinzugefügt werden und die mechanischen Eigenschaften können verbessert werden. Mg kann jedoch auch eine Verbindung bilden, die die mechanischen Eigenschaften herabsetzt, wenn Mg in einer Menge von mehr als ca. 0,8 Gew.-% hinzugefügt wird. Daher kann die Menge an Mg wie oben begrenzt sein.
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Die beispielhaften Aluminiumlegierungen aus den Beispielen und Vergleichsbeispielen zum Evaluieren der Eigenschaften einer geringen Reibung durch weiche Partikel wurden hergestellt, während die Mengen an Zn und Sn variiert wurden, wie in dem Graph der 1 veranschaulicht, und Änderungen des Reibungskoeffizienten pro Legierung wurden gemessen.
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Folglich können erwünschte Eigenschaften einer geringen Reibung, beispielsweise Reibungskoeffizient von ca. 0,150 oder weniger, in der beispielhaften 5Sn-9Zn-Legierung unter der Bedingung von ca. 5 Gew.-% Sn erhalten werden, wenn auch unzufriedenstellende Ergebnisse in den Vergleichsbeispielen der 5Sn-5Zn- und 5Sn-7Zn-Legierungen erhalten werden können. Wenn Zn in einer Menge von mehr als 8 Gew.-% unter der Bedingung hinzugefügt wird, dass die Mindestmenge an Sn ca. 5 Gew.-% beträgt, können folglich die erwünschten Eigenschaften einer geringen Reibung, beispielsweise Reibungskoeffizient von ca. 0,150 oder weniger, erhalten werden. Wenn die Mengen an Sn und Zn zunehmen, können ferner Eigenschaften einer im Wesentlichen geringen Reibung erhalten werden.
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In der Tabelle 1 wurden gemäß den Vergleichsbeispielen und Beispielen Al-15Zn-5Sn-xSi-Legierungen hergestellt und die Verschleißfestigkeit und mechanischen Eigenschaften derselben evaluiert. [Tabelle 1]
| | Al | Zn (Gew.%) | Sn (Gew.%) | Si (Gew.%) | Cu (Gew.%) | Mg (Gew.%) | Si-Partikelanteil (%) | Festigkeit (MPa) |
| Vergleichsbeispiel | Rest | 15 | 5 | 9 | 2 | 0,5 | 0,2 | - |
| Rest | 15 | 5 | 9,2 | 2 | 0,5 | 0,3 | - |
| Beispiel | Rest | 15 | 5 | 9,4 | 2 | 0,5 | 0,5 | 290 |
| Rest | 15 | 5 | 12,2 | 2 | 0,5 | 4,5 | - |
| Rest | 15 | 5 | 12,6 | 2 | 0,5 | 5 | 300 |
| Vergleichsbeispiel | Rest | 15 | 5 | 12,8 | 2 | 0,5 | 5,2 | - |
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Wie in Tabelle 1 gezeigt, können für das beispielhafte Al-15Zn-5Sn-xSi-Legierungssystem des Vergleichsbeispiels mit ca. 9,2 Gew.-% Si Si-Partikel in Form von harten Partikeln in einer Menge von ca. 0,3 Gew.-% produziert werden und keine ausreichende Verschleißfestigkeit erhalten werden. Im Gegensatz dazu können für die beispielhafte Aluminiumlegierung der Beispiele mit ca. 9,4 bis ca. 12,6 Gew.-% Si harte Partikel bis zu ca. 5% produziert werden und folglich eine ausreichende Verschleißfestigkeit sichergestellt werden. Wenn primäre Si-Partikel zu mehr als ca. 5% aufgrund der übermäßigen Verwendung von Si, beispielsweise in einer Menge von ca. 12,8 Gew.-% oder mehr, produziert werden, können das Vergröbern und die Segregation von Si-Partikeln erheblich auftreten. Daher kann die Menge an Si wie oben begrenzt sein. Indessen kann eine Festigkeit von ca. 290 bis 300 MPa erhalten werden, wenn die Menge an Si in einem vorbestimmten Bereich von ca. 9,4 bis ca. 12,6 Gew.-% liegt. Daher kann die sich ergebende Aluminiumlegierung als ein struktureller Werkstoff problemlos verwendet werden.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine verschleißfeste Legierung mit einer komplexen Mikrostruktur einen Bereich von ca. 8 bis ca. 17 Gew.% Zn, einen Bereich von ca. 5 bis 8 Gew.-% Bi, einen Bereich von ca. 9,4 bis 12,6 Gew.-% Si und einen Rest aus Al enthalten. Insbesondere kann anstelle von Sn Bi als starkes selbstschmierendes Element verwendet werden.
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Folglich liefert die vorliegende Erfindung eine verschleißfeste Legierung mit einer komplexen Mikrostruktur. Nach den beispielhaften verschleißfesten Legierungen mit einer komplexen Mikrostruktur der vorliegenden Erfindung kann insbesondere eine neuartige selbstschmierende, hochfeste und verschleißfeste Legierung erhalten werden, die sowohl Verschleißfestigkeit von einer hypereutektischen Al-Si-Legierung als auch Selbstschmierung von einer Al-Sn-Legierung aufweisen kann.
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Zwar wurden die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind, 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.
