DE19855908A1 - Verfahren zur Bildung einer graphitfreien Oberfläche eines eisenhaltigen Materials zum Erzeugen einer verbesserten intermetallischen Bindung - Google Patents
Verfahren zur Bildung einer graphitfreien Oberfläche eines eisenhaltigen Materials zum Erzeugen einer verbesserten intermetallischen BindungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein Verfahren
zum Entfernen von Unreinheiten von metallischen Oberflächen und
insbesondere ein Verfahren zum Erzeugen einer eisenhaltigen
Oberfläche zur intermetallischen Bindung.
Unter Metallurgiefachleuten ist es wohlbekannt, daß Gußeisen
und andere eisenhaltige Materialien (z. B. Eisen und eisenhalti
ge Legierungen) als Folge des Gußprozesses Kohlenstoff enthal
ten. Beim Abkühlen fällt der Kohlenstoff aus der Lösung aus und
bildet in dem Werkstück Graphitflocken. Die Größe und Vertei
lung der Graphitflocken kann in Abhängigkeit sowohl der Legie
rung als auch der Parameter des Guß- und Abkühlprozesses
variieren.
Ein Verfahren zum Verbinden von Werkstücken aus Eisen oder
eisenhaltigem Material mit im wesentlichen aus Aluminium beste
henden Werkstücken ist das AlFin-Verfahren. In dem AlFin-Verfahren
wird die Bindungsfläche des eisenhaltigen Werkstücks
in geschmolzenes Aluminium getaucht, um eine intermetallische
Al-Fe Bindungsoberflächenschicht zu schaffen. Das Aluminium
werkstück wird dann an der Al-Fe-intermetallischen Schicht mit
dem eisenhaltigen Werkstück verbunden.
Das AlFin-Verfahren wird gemeinhin verwendet, um beispielsweise
Kolbenringträger aus einer eisenhaltigen Legierung mit Kolben
aus Aluminium zu verbinden, die etwa in Dieselmotoren einge
setzt werden. Die Verbindung muß stabil genug sein, um den
Belastungen zu widerstehen, die im Betrieb eines Dieselmotors
durch die erhöhten Temperaturen und Drücke erzeugt werden. Wenn
die Aneinanderhaftung schwach ist, kann es zu einem Lösen der
Verbindung kommen. Das Problem einer sich lösenden Verbindung
ist insbesondere dann unangenehm, wenn es während des Betriebs
des Motors dazu kommt. Eine mit dem bekannten AlFin-Verfahren
im allgemeinen in Verbindung gebrachte Beschränkung besteht in
einem sich Lösen der Verbindung unter dem anhaltenden Einfluß
hohen Drucks und hoher Temperatur und des sich Lösens der
Verbindung unter dem akuten Einfluß extremen Drucks und extre
mer Temperatur.
Es besteht deshalb ein Bedarf nach einem verbesserten Verfahren
zur Bindung eisenhaltiger an nicht eisenhaltige Metalle (und
insbesondere nach einem verbesserten Verfahren zur Bindung von
Eisen an Aluminium), das dazu in der Lage ist, intermetallische
Bindungen zu schaffen, die stabiler und gegenüber widrigen
Bedingungen dauerhafter sind. Im Fall der in Dieselmotoren
eingesetzten Aluminiumkolben muß die intermetallische Bindung
zwischen dem Kolben-und dem Kolbenringträger sowohl einem
fortgesetzten Einfluß der Hochdruck/Hochtemperatur-Umgebung im
Motor als auch dem akuten Einfluß von Druck- und Temperaturex
tremen widerstehen können, ohne daß sich die Verbindung löst.
Bisher ist Fachleuten auf diesem Gebiet hierzu keine Lösung
eingefallen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die intermetallische
Bindung zwischen einem eisenhaltigen und einem nicht eisenhal
tigen Metall stabiler und dauerhafter zu gestalten.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst,
das die Schritte entweder des Patentanspruchs 1, des Patentan
spruchs 10, oder des Patentanspruchs 16 aufweist.
Erfindungsgemäß wird die stabilere und dauerhaftere Bindung
zwischen einem eisenhaltigen und einem nicht eisenhaltigen
Metall demnach dadurch erzielt, daß die Graphitphase in dem
intermetallischen Bindungsbereich eliminiert wird. Dies kann
dadurch geschehen, daß ein Eindringen von Graphit in die inter
metallische Bindungsschicht verhindert wird, die sich zwischen
dem eisenhaltigen und dem nicht eisenhaltigen Metall bildet.
Die genannte, stabilere und dauerhaftere Verbindung kann erfin
dungsgemäß auch dadurch erhalten werden, daß entweder graphiti
sche Verunreinigungen von der Oberfläche des eisenhaltigen
Metalls entfernt werden oder daß das Graphit in der Oberfläche
des eisenhaltigen Metalls eingeschlossen wird.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme
auf die beigefügten Figuren, in denen
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Bindung nach dem
bekannten AlFin-Verfahren ist,
Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung einer Bindung nach dem
bekannten AlFin-Verfahren ist,
Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung einer Bindung zwischen
einer Aluminiumoberfläche und einer eisenhaltigen
Oberfläche (AlFin-Bindung) ist, die mittels des
KOLENE-Verfahrens gereinigt worden ist,
Fig. 4 eine Querschnittsdarstellung einer Bindung zwischen
einer Aluminiumoberfläche und einer eisenhaltigen
Oberfläche (AlFin-Bindung) ist, die mittels des
KOLENE-Verfahrens gereinigt worden ist,
Fig. 5 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen
der Reinigungsdauer mit dem KOLENE-Verfahren und der
Tiefe ist, bis zu der Graphit aus einer eisenhaltigen
Oberfläche entfernt wird, und
Fig. 6 eine Querschnittsdarstellung einer mittels Laser
gereinigten eisenhaltigen Oberfläche ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein verbes
sertes Verfahren zum Herstellen einer intermetallischen Bindung
zwischen eisenhaltigen und nicht eisenhaltigen Materialien, wie
beispielsweise einer Bindung zwischen Eisen und Aluminium.
Gemäß einer besonderen Form der Erfindung wird eine Oberfläche
einer Nickel/Eisen-Legierung dadurch zur Bindung an eine Ober
fläche einer Aluminiumlegierung vorbereitet, daß verbliebene
Graphitflocken aus der Bindungsfläche entfernt werden. Die
Abwesenheit von Graphit als Teil der Bindung führt zu einer
höheren Bindungsfestigkeit.
Herkömmliche Bindungen zwischen eisenhaltigen (Eisen oder
Eisenlegierungen) Metallen und nicht eisenhaltigen Metallen
(beispielsweise Aluminium oder Aluminiumlegierungen) werden
durch das Vorhandensein von Graphitflocken in der intermetalli
schen Bindungsschicht geschwächt. Viele nicht eisenhaltige
Metalle, beispielsweise Aluminium, benetzen Graphit nur gering
fügig oder überhaupt nicht. Graphit, das durch die intermetal
lische Bindungsschicht in die nicht eisenhaltige Metallschicht
dringt, bindet sich deshalb nicht an das nicht eisenhaltige
Metall, sondern bleibt statt dessen in situ vorhanden. Solcher
maßen angeordnete Graphitflocken erhöhen die Bindungsfestigkeit
nicht, sondern schwächen im Gegenteil die Bindung, indem sie
Hohlräume schaffen, die als Spannungsbündeler wirken und die
Rißausbreitung erleichtern.
Ein Beispiel einer Bindung zwischen einem eisenhaltigen und
einem nicht eisenhaltigen Metall ist die zwischen Gußeisen und
Aluminium gebildete Bindung. Diese Bindung wird gegenwärtig
erzeugt, indem zuerst das Eisenwerkstück mit dem AlFin-Ver
fahren behandelt wird. Das AlFin-Bindungsverfahren wird dazu
benutzt, Werkstücke aus einer Aluminiumlegierung und einer
eisenhaltigen Legierung, wie beispielsweise Aluminiumkolben für
Dieselmotoren und Kolbenringträger aus einer Eisen/Nickel
legierung, metallurgisch unmittelbar aneinander zu binden. Der
AlFin-Bindungsprozeß beginnt mit dem Wachsen einer intermetal
lischen Al-Schicht auf dem eisenhaltigen Werkstück durch Ein
tauchen des eisenhaltigen Werkstücks in ein Bad aus
geschmolzenem Aluminium. Das Bad aus geschmolzenem Aluminium
hat typischerweise die Zusammensetzung einer Al-6% Si Legie
rung, kann jedoch in seiner Zusammensetzung variieren. Die
intermetallische Al-Schicht läßt man typischerweise bis zu
ungefähr 50µ Dicke wachsen. Die Badtemperaturen liegen typi
scherweise in einem Bereich von 715°C bis 750°C (1320°F bis
1380°F). Die Dicke der intermetallischen Al-Schicht steigt mit
der Badtemperatur und der Eintauchzeit. Die Eintauchzeit bewegt
sich typischerweise in einem Bereich von 3 bis 18 Minuten. Das
eisenhaltige Werkstück wird dann durch die Bildung einer me
tallurgischen Bindung zwischen der intermetallischen Al-Schicht
auf dem eisenhaltigen Werkstück und dem Aluminiumwerkstück
unmittelbar an das Aluminiumwerkstück gebunden.
Ein Problem des AlFin-Verfahrens besteht darin, daß die Bindung
bei Anwendungen unter erhöhter Temperatur und/oder erhöhtem
Druck manchmal versagt. Diese Art des Versagens wird beispiels
weise bei der AlFin-Bindung zwischen Dieselmotorkolben aus
Aluminium und Kolbenringträgern aus einer Fe-Ni Legierung (Ni-Resist)
beobachtet, wenn die Kolben sich im Einsatz befinden.
Die AlFin-Bindung zwischen dem Aluminiumkolben und dem Kolben
ringträger aus Ni-Resist kann unter dem anhaltenden Einfluß der
erhöhten Temperaturen und Drücke, die in einem laufenden Die
selmotor vorherrschen, katastrophal versagen.
In Fig. 1 ist eine allgemein mit 110 bezeichnete, typische
AlFin-Bindung 112 herkömmlicher Art zwischen einem Aluminium
werkstück 114, beispielsweise ein Kolben eines Dieselmotors,
und einem Werkstück 116 aus einer Eisenlegierung, beispielswei
se ein Kolbenringträger aus Ni-Resist, schematisch dargestellt.
Zusätzlich zu dem Werkstück 116 aus der Eisenlegierung und dem
Werkstück 114 aus der Aluminiumlegierung sind mehrere unter
schiedliche Phasen zu beobachten. Nahe der Oberfläche der
Eisenlegierung 116 sind dünne Abscheidungen 118 aus Fe3(Si0,9
Al0,1) und Phasen 120 aus Al, Fe und Si vorhanden. Eine relativ
dicke Schicht 124 aus Beta-Al5FeSi erstreckt sich in die
Al-Legierungsmatrix 114. Graphitflocken 126, die in gegossenen
eisenhaltigen Werkstücken immer vorhanden sind, erstrecken sich
durch die Grenzschicht der Eisenlegierung 116 und reichen in
den Bindungsbereich 112 hinein.
Graphit ist in Werkstücken aus Gußeisen eine immer gegenwärtige
Phase, da Kohlenstoff dem eisenhaltigen System als ein Redukti
onsmittel zugegeben wird und in beträchtlicher Menge erhalten
bleibt. Beim Abkühlen des eisenhaltigen Werkstücks scheiden
sich Graphitkristalle ab und wachsen als eine eigene Phase.
Fig. 2 ist eine Darstellung der Graphitdurchdringung durch
eine typische AlFin-Bindung, die allgemein mit 210 bezeichnet
ist. Während des AlFin-Aluminiumbeschichtungsprozesses kommt es
zu einem Auflösen von Fe aus der Oberfläche des Eisenlegie
rungswerkstücks 214, das in dem Bad aus geschmolzenem Aluminium
eingetaucht ist. Das Auflösen des Eisens verläuft gleichzeitig
mit der Bildung der intermetallischen Bindungsschicht 212 als
ein kontinuierlicher Prozeß. An der sich ergebenden, dynami
schen Grenzfläche werden durch das sich Auflösen der eisenhal
tigen Oberfläche in das geschmolzene Al-Bad Garaphitflocken 226
freigelegt. Die intermetallische Bindungsschicht 212 bildet
sich um die Graphitflocken 226 herum, bindet sich jedoch nicht
an sie, weil Aluminium Graphit nicht benetzt. Das Ergebnis ist
ein Vorhandensein relativ instabiler Graphitflocken 226, die
sich durch die intermetallische Bindungsschicht 212 erstrecken,
jedoch nicht daran gebunden sind. Die Graphitflocken 226 sind
demnach nicht an die Aluminiummatrix 216 oder die sie in situ
haltende Bindungsschicht 212 gebunden und wirken als wirksame
Fehlstellen in der Bindungsstruktur, wodurch sie Ausbreitungs
stellen für Risse schaffen.
Um die sich aus dem bekannten Verfahren ergebende Bindungs
festigkeit zu testen, wurden die Zugfestigkeiten typischer
AlFin-Bindungen an Proben gemessen, die durch Elektronenentla
dungsbearbeitung (Electron Discharge Machining [EDM]) aus
AlFin-Bindungsbereichen abgetrennt wurden. Die Teststäbe wurden
normal zur Bindungsschicht abgetrennt und so präpariert, daß
die AlFin-Bindungsschicht sich in dem Bereich der Probe befin
det, in dem die Zugfestigkeitsmessung stattfindet, d. h. die
Zugfestigkeit wurde an der AlFin-Bindungsschicht ermittelt. Die
Zugfestigkeit von zehn zufällig ausgewählten Produktionsproben
wurde gemessen und es ergab sich eine mittlere Zugfestigkeit
von 85,15 N/mm2 (12.350 psi).
Mikrofotografische Aufnahmen der AlFin-Bindungsregion zeigten
das Vorhandensein von Graphitflocken, die sich aus dem eisen
haltigen Werkstück durch die Bindung und in das Aluminiumwerk
stück hinein erstreckten. Es wurde überlegt, daß ein Entfernen
des Graphits aus der Bindungsregion die Bindung stärken würde,
indem eine nicht bindende Phase aus der Bindungsregion und der
Aluminiummatrix des Aluminiumwerkstücks entfernt wird.
Durch Reinigen der Oberfläche mittels des KOLENE-Verfahrens
wurde eine teilweise Entfernung des Graphits aus der Oberfläche
des eisenhaltigen Werkstücks erreicht. Gemäß der vorliegenden
Erfindung führte die teilweise Entfernung von Graphit aus der
Bindungsschicht zu einer Erhöhung der Bindungsfestigkeit. Es
wurde beobachtet, daß die Bindungsfestigkeit mit dem Grad der
erreichten Graphitentfernung (sowohl hinsichtlich Frequenz und
Tiefe der Graphiteinschlüsse) zunahm.
Eine vollständige Entfernung von Graphit aus der Oberfläche des
eisenhaltigen Werkstücks führte zu einem noch größeren Anstieg
der Bindungsfestigkeit zwischen dem eisenhaltigen und nicht
eisenhaltigen Material. Es wurde herausgefunden, daß das Gra
phit vorzugsweise bis in eine Tiefe von 200µ zu entfernen ist,
um Graphit im wesentlichen oder vollständig aus der
AlFin-Bindungsregion zu entfernen.
Es wurden verschiedene Methoden zum Entfernen von Graphit aus
der Oberfläche des eisenhaltigen Werkstücks benützt. Graphit
wurde aus der Oberfläche des eisenhaltigen Werkstücks chemisch
mittels des KOLENE-Verfahrens zum chemischen Reinigen entfernt.
Das KOLENE-Verfahren entfernte Graphit bis zu einer Tiefe von
ungefähr 60µ. Graphit wurde des weiteren aus der eisenhaltigen
Oberfläche durch eine Laserbehandlung bis zu einer Tiefe von
ungefähr 400µ entfernt. Vorläufige Belastungsversuche, bei
denen der gesamte Körper durch die Bindungsfläche bis zum
Versagen unter Spannung gesetzt wurde, ergaben, daß die Laser
behandlung der Oberfläche die Bindungsfestigkeit um zumindest
etwa 60% erhöht. Eine dritte Methode der wirksamen Graphitent
fernung aus der Oberfläche des eisenhaltigen Werkstücks benutz
te das Plattieren einer Chromschicht auf das eisenhaltige
Werkstück vor dem Schritt des Eintauchens desselben in das Bad
aus geschmolzenem Aluminium des AlFin-Verfahrens. Die Chrom
schicht versiegelt die Oberfläche des eisenhaltigen Werkstücks
gegenüber einem Auflösen von Eisen in dem Bad aus geschmolzenem
Aluminium. Diese Versiegelung verhindert die Erosion der Eisen
oberfläche und das sich daraus ergebende Freilegen von Graphit
flocken in der intermetallischen Bindungsschicht. Vorläufige
Festigkeitsversuche der Bindungen der chromplattierten Werk
stücke zeigten einen Festigkeitsanstieg von deutlich über 60%
gegenüber den unbehandelten Proben aus der laufenden
Produktion.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung betrifft die
Präparation der Oberfläche des eisenhaltigen Werkstücks für
eine AlFin-Bindung mittels des Einsatzes einer Abwandlung des
kommerziellen KOLENE-Verfahrens zum Entfernen von Oberflächen
graphit. Das KOLENE-Verfahren umfaßt den Einsatz eines alkali
schen, geschmolzenen Salzbades, beispielsweise NaCl, das in dem
Temperaturbereich von 400°C bis 480°C (750°F bis 900°F) gehal
ten wird, um graphitischen Kohlenstoff von der Oberfläche des
eisenhaltigen Werkstücks zu oxidieren. Das eisenhaltige Werk
stück wird wechselweise positiv und negativ bezüglich des
geschmolzenen Salzbades geladen, um abwechselnd die Oxidations- oder
die Reduktionsreaktion zu erleichtern. Während der Oxida
tionsreaktion wird Graphit entfernt. Wenn das eisenhaltige
Werkstück bezüglich des geschmolzenen Salzbades positiv geladen
wird, oxidiert das Graphit und wird als CO2 entfernt. Auch das
eisenhaltige Werkstück oxidiert jedoch in dieser Phase des
Prozesses und es sammelt sich Fe2O3 an der Oberfläche. Bei dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Fe2O3
entfernt durch Umkehren der Polarität des Werkstücks und Redu
zierens des Fe2O3 in der Gegenwart von Natriumionen zu
Na2Fe2O4, welches als Schlamm entfernt wird. Der Zeitpunkt, an
dem die Polarität des Werkstücks periodisch umgekehrt wird,
wurde abgewandelt, um eine gegenüber dem Standard KOLENE-Verfahren
tiefere Graphitentfernung zu erzielen.
Die auf diese Weise erhaltene metallurgische Grenzfläche zeigt
ein exzellentes Bindungsverhalten und ist in den Fig. 3 und 4
wiedergegeben. In Fig. 3 ist die Oberfläche des Materials
316 aus einer Eisenlegierung mit dem KOLENE-Verfahren behandelt
worden. Oberflächengraphit ist entfernt worden, während tiefer
liegende graphitische Einschlüsse 326 noch vorhanden sind. Die
Oberflächentopographie umfaßt irregulär geformte Hohlräume 328,
die von dem oxidierten Graphit und reduzierten Fe2O3 zurückge
lassen worden sind. Diese irreguläre Oberflächentopographie ist
für eine Bindung ideal, denn eine zweite metallische Phase 314,
beispielsweise das geschmolzene Aluminium, kann ohne weiteres
in die irregulär geformten Hohlräume 328 hinein fließen und sie
ausfüllen, wodurch sowohl eine mechanische Verbindung
(Formschluß) als auch eine metallurgische Bindung mit der
Oberfläche des eisenhaltigen Werkstücks stattfindet.
Dieses formschlüssige Verhaken ist in Fig. 4 dargestellt. Das
Eisenlegierungswerkstück 416 verhakt sich mechanisch mit der
metallischen zweiten Phase 414, indem letztere in geschmolzenem
Zustand in die in dem Eisenlegierungswerkstück 416 durch die
Oxidation der graphitischen Einschlüsse und die Reduktion der
Oxideinschlüsse zurückgelassenen Hohlräume fließt. Verhakende
"Ranken" 430 des Materials der metallischen zweiten Phase
dringen in das Eisenlegierungswerkstück 416 ein und erhöhen die
Bindungsfestigkeit. Nach wie vor existieren graphitische Ein
schlüsse 426 unterhalb der wirksamen Entfernungstiefe des
KOLENE-Verfahrens.
Die für eine Behandlung mit dem KOLENE-Verfahren typische
Graphit-Entfernungstiefe beträgt nur ungefähr 60µ. Dies ist
graphisch in Fig. 5 dargestellt. Es ist herausgefunden worden,
daß aus einer Oberfläche, um sie optimal für das AlFin-Verfahren
vorzubereiten, Graphit bis zu einer Tiefe von unge
fähr 200µ oder mehr entfernt werden muß, da sonst ein gewisser
Restgraphit vorhanden ist, der die sich ergebende intermetalli
sche Bindungsschicht nach einem Oberflächenauflösen schwächt.
Obwohl diese Vorgehensweise zeigt, daß ein elektrochemisches
oder chemisches Reaktionsverfahren dazu verwendet werden kann,
Graphit von der Bindungsoberfläche zu entfernen, entfernt das
gegenwärtige KOLENE-Verfahren Graphit nicht tief genug, um die
Bindung deutlich zu festigen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist
in Fig. 6 dargestellt und umfaßt die Behandlung der eisenhal
tigen Oberfläche 616 mit einem Laserstrahl, beispielsweise aus
einem CO2-Laser, der einen UV-Strahl erzeugen kann, zum Entfer
nen graphitischer Verunreinigungen 626 bis auf eine Tiefe von
mehr als 200µ. Der Laser kann über die eisenhaltige Oberfläche
616 mit einer Geschwindigkeit gerastert werden, die dazu aus
reicht, die graphitischen Verunreinigungen 626 durch lokale
Überhitzung zu verdampfen. Die resultierende eisenhaltige
Oberfläche 616 ist gleichmäßig glatt und bis zu einer Tiefe von
mehr als 200µ frei von graphitischen Verunreinigungen 626. Die
Rastergeschwindigkeit, die zum Erzielen einer ausreichenden
Graphitentfernung von der Oberfläche notwendig ist, ist eine
Funktion der Laserleistung und des Maßes an graphitischer
Verunreinigung des eisenhaltigen Werkstücks 616. Die Anwendung
des AlFin-Verfahrens auf die so erhaltene, glatte und homogene
Oberfläche des Werkstücks 616 führt zu einer glatten und
gleichmäßigen Beschichtung mit Aluminium und zur Bildung einer
relativ gleichförmigen intermetallischen Schicht frei von
graphitischer Durchdringung oder Verunreinigung.
Ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
verwendet das Plattieren des eisenhaltigen Werkstücks mit einem
Übergangsmetall relativ niedriger Kohlenstofflöslichkeit,
beispielsweise Chrom, um während des AlFin-Verfahrens das
Graphit physisch ab- bzw. einzuschließen. Geeignete Übergangs
metalle sind ohne Anspruch auf Vollständigkeit Titan, Vanadium,
Chrom, Kobalt, Nickel, Kupfer, Silber, Gold, Palladium, Niob,
Molybdän und Platin. Die Plattierschicht stellt während des
AlFin-Verfahrens eine wirksame Barriere dar, indem sie ein
Auflösen von Eisen aus der Oberfläche in die Aluminiumlösung
und damit ein Freilegen der Graphitflocken verhindert. Die
AlFin-intermetallische Bindung bildet sich auf der Außenseite
der chromplattierten Oberfläche auf dem eisenhaltigen Werk
stück. Die zwischen dem chrombehandelten eisenhaltigen Werk
stück und dem Aluminiumwerkstück gebildete Bindung ist somit
frei von graphitischen Unreinheiten.
An Proben, die aus den Bindungsregionen der AlFin-Bindungen
zwischen Kolben aus Aluminiumlegierung und nicht abgewandelten
Kolbenringträgern aus Ni-Resist entnommen wurden, und an Pro
ben, die aus der Bindungsregion von AlFin-Bindungen zwischen
Kolben aus Aluminiumlegierung und laserbehandelten Ni-Resist
Kolbenringträgern und zwischen Kolben aus Aluminiumlegierung
und chrombeschichteten Ni-Resist Kolbenringträgern entnommen
wurden, wurden Zugfestigkeitsversuche durchgeführt. Die Proben
wurden normal zur Ebene der Bindung durch Elektronenstrahlbear
beitung (EDM) abgetrennt. Zehn Proben wurden aus den unbehan
delten, den laserbehandelten und den chrombeschichteten
Bindungen präpariert. Die Zugfestigkeiten der Bindungen wurden
durch einen Belastungsfestigkeitsversuch gemessen.
Belastungsversuche der AlFin-Bindungen zwischen Aluminiumkolben
und sowohl laserbehandelten und chromplattierten Kolbenringen
zeigen, daß beide Verfahren der Fernhaltung von Graphit aus der
Bindungsgrenzfläche zu einer deutlichen Steigerung der Bin
dungsfestigkeit führen. Belastungsversuche der Kolben, an die
laserbehandelte Kolbenringe gebunden sind, zeigen eine 60%ige
Erhöhung der Bindungsfestigkeit. Belastungsversuche der Kolben,
an die chromplattierte Kolbenringe gebunden sind, zeigen eine
um mehr als 60% gesteigerte Bindungsfestigkeit (die Bindungsfe
stigkeiten überschritten den Meßbereich der verfügbaren Meßge
räte).
Es zeigt sich klar, daß jedes wirksame Fernhalten von Graphit
aus der AlFin-Bindungsgrenzfläche zu einer Erhöhung der Bin
dungsfestigkeit führt. Die Bindungsfestigkeit wird darüber
hinaus durch die Zunahme an effektiver Bindungsfläche erhöht,
die durch Entfernen der Graphitflocken aus der eisenhaltigen
Oberfläche unter Zurücklassung der Hohlräume geschaffen wird,
die sich während des Bindungsvorganges füllen. Die Bindungsfe
stigkeit wird demnach sowohl durch metallurgische Bindung als
auch durch mechanische Bindung verstärkt.
Claims (19)
1. Verfahren zum Erzeugen einer intermetallischen eisenhalti
gen Bindung mit den Schritten:
- a) Festlegen einer eisenhaltigen ersten Oberfläche und einer damit zu verbindenden metallischen zweiten Oberfläche,
- b) Behandeln zumindest der ersten und/oder der zweiten Ober fläche derart, daß Graphit im wesentlichen aus einem Bin dungsbereich eliminiert wird,
- c) Präparieren der ersten Oberfläche zum Binden, und
- d) intermetallisches Verbinden der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche in dem Bindungsbereich.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß Schritt b) das nahezu vollständige
Eliminieren von Graphit aus dem Bindungsbereich durch Plattie
ren der ersten Oberfläche mit einem Übergangsmetall umfaßt.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß Schritt b) das nahezu vollständige
Eliminieren von Graphit aus dem Bindungsbereich durch Plattie
ren der zweiten Oberfläche mit einem Übergangsmetall umfaßt.
4. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß Graphit aus dem Bindungsbereich im
wesentlichen vollständig eliminiert wird durch Plattieren der
ersten Oberfläche mit Chrom.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß Graphit aus dem Bindungsbereich im
wesentlichen vollständig eliminiert wird durch eine Laserbe
handlung der ersten Oberfläche.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß Graphit aus dem Bindungsbereich im
wesentlichen vollständig durch Rastern eines Lasers über die
erste Bindungsoberfläche eliminiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß Graphit aus dem Bindungsbereich im
wesentlichen vollständig durch elektrochemisches Waschen der
ersten Oberfläche eliminiert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste Oberfläche zum Verbinden
mit der zweiten Oberfläche durch Bilden einer intermetallischen
Schicht auf der ersten Oberfläche vorbereitet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Oberfläche hauptsächlich
Aluminium ist und daß die erste Oberfläche zur Verbindung durch
Anwendung eines AlFin-Verfahrens vorbereitet wird.
10. Intermetallische Bindung zwischen einem eisenhaltigen
Metall und einem nicht eisenhaltigen Metall, mit
- - einer eisenhaltigen Schicht,
- - einer nicht eisenhaltigen Metallschicht, und
- - einer die nicht eisenhaltige und die eisenhaltige Schicht verbindenden, intermetallischen und im wesentlichen graphit freien Bindungsschicht.
11. Bindung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß der eisenhaltige Bereich von einer
Grenzfläche zwischen der eisenhaltigen Schicht und der interme
tallischen Bindungsschicht bis zu einer Tiefe von ungefähr 200µ
im wesentlichen graphitfrei ist.
12. Bindung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die eisenhaltige Schicht Gußeisen
ist.
13. Bindung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die nicht eisenhaltige Schicht
Aluminium ist.
14. Bindung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die intermetallische Schicht eine
Fe-Al-Legierung ist.
15. Bindung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die nicht eisenhaltige Schicht eine
Aluminiumlegierung ist.
16. Verfahren zum Erzeugen einer intermetallischen, eisenhal
tigen Bindung, mit den Schritten
- - Festlegen einer eisenhaltigen Oberfläche und einer damit zu verbindenden, nicht eisenhaltigen Metalloberfläche,
- - Entfernen von Graphit aus der eisenhaltigen Oberfläche bis zu einer Tiefe von mindestens 200µ,
- - Erzeugen einer intermetallischen Bindung zwischen den eisen haltigen und nicht eisenhaltigen Oberflächen.
17. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, daß Graphit durch elektrochemisches
Waschen aus der eisenhaltigen Oberfläche entfernt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, daß Graphit durch eine Laserbehandlung
aus der eisenhaltigen Oberfläche entfernt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, daß Graphit durch Rastern eines Lasers
über die eisenhaltige Oberfläche aus der eisenhaltigen Oberflä
che entfernt wird.
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