DE19855908C2

DE19855908C2 - Verfahren zur Bildung einer graphitfreien Oberfläche eines eisenhaltigen Materials zum Erzeugen einer verbesserten intermetallischen Bindung

Info

Publication number: DE19855908C2
Application number: DE19855908A
Authority: DE
Inventors: John A Worden; Gordon L Starr; Yong-Ching Chen
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1997-12-04
Filing date: 1998-12-03
Publication date: 2001-05-17
Anticipated expiration: 2018-12-04
Also published as: DE19855908A1; US6127046A

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.

Im Fall der in Dieselmotoren eingesetzten Aluminiumkolben muß die intermetallische Bindung zwischen dem Kolben und dem Kol benringträger sowohl einem fortgesetzten Einfluß der Hoch druck/Hochtemperatur-Umgebung im Motor als auch dem akuten Einfluß von Druck- und Temperaturextremen widerstehen können, ohne daß sich die Verbindung löst. Es besteht deshalb ein Bedarf nach einem verbesserten Verfahren zur Bindung eisenhal tiger an nicht eisenhaltige Metalle (und insbesondere nach einem verbesserten Verfahren zur Bindung von Eisen an Alumini um), das dazu in der Lage ist, intermetallische Bindungen zu schaffen, die stabiler und gegenüber widrigen Bedingungen dauerhafter sind.

Aus der GB 2 137 659 A ist ein Verfahren zur Verbindung einer Gußeisenoberfläche mit einer weiteren Gußeisen- oder einer anderen Metalloberfläche bekannt. Die Anwesenheit von Graphit in Gußeisenlegierungen führt aufgrund der schlechten Benetzbar keit von Graphit durch Metallschmelzen, der Möglichkeit der Gasbildung durch Reaktion zu CO₂ und einer Strukturumwandlung bei hohen Temperaturen zu Problemen beim Schweißen und Löten. Die GB 2 137 659 A offenbart zur Lösung dieses Problems ein Verfahren, bei dem die Gußeisenoberfläche vor dem Verbinden mit der anderen Oberfläche mit einer heißen, konzentrierten, wäss rigen Chromsäurelösung gewaschen wird, um Graphit von der Gußeisenoberfläche zu entfernen.

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, das die im Patentanspruch 1, im Patentanspruch 3, oder die im Patentan spruch 5 angegebenen Schritte aufweist und des weiteren durch eine intermetallische Bindung gemäß dem Patentanspruch 9 ge löst.

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 50 µ 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(Si_0,9 Al_0,1) 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 Graphtiflocken 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 20 µ 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 60 µ. Graphit wurde des weiteren aus der eisenhaltigen Oberfläche durch eine Laserbehandlung bis zu einer Tiefe von ungefähr 400 µ 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 60 µ. 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 200 µ 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 200 µ. 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 200 µ 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

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 Oberflä che durch Plattieren mit einem Übergangsmetall, so daß Gra phit im wesentlichen aus einem Bindungsbereich eliminiert wird, und
c) intermetallisches Verbinden der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche in dem Bindungsbereich.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Graphit aus dem Bindungsbereich im wesentlichen vollständig eliminiert wird durch Plattieren der ersten Oberfläche mit Chrom.

3. 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 der ersten Oberfläche mit einem Laser, so daß Graphit im wesentlichen aus einem Bindungsbereich eliminiert wird, und
c) intermetallisches Verbinden der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche in dem Bindungsbereich.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Graphit aus dem Bindungsbereich im wesentlichen vollständig durch Rastern eines Lasers über die erste Bindungsoberfläche eliminiert wird.

5. Verfahren zum Erzeugen einer intermetallischen eisenhalti gen Bindung mit den Schritten:
Festlegen einer eisenhaltigen ersten Oberfläche und einer damit zu verbindenden metallischen zweiten Oberfläche,

a) Behandeln der ersten Oberfläche durch elektrochemisches Waschen in einem alkalischen, geschmolzenen Salzbad, so daß Graphit und Eisenoxide im wesentlichen aus einem Bindungsbe reich eliminiert werden, und
b) intermetallisches Verbinden der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche in dem Bindungsbereich.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Graphit aus der eisenhaltigen Oberfläche bis zu einer Tiefe von mindestens 200 µm entfernt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Oberfläche zum Verbinden mit der zweiten Oberfläche durch Bilden einer intermetallischen Schicht auf der ersten Oberfläche vorbereitet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Oberfläche hauptsächlich Aluminium ist und daß die erste Oberfläche zur Verbindung durch Anwendung eines AlFin-Verfahrens vorbereitet wird.

9. 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,

dadurch gekennzeichnet, daß sie durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt wurde.

10. Bindung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der eisenhaltige Bereich von einer Grenzfläche zwischen der eisenhaltigen Schicht und der interme tallischen Bindungsschicht bis zu einer Tiefe von ungefähr 200 µm im wesentlichen graphitfrei ist.

11. Bindung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die eisenhaltige Schicht Gußeisen ist.

12. Bindung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht eisenhaltige Schicht Aluminium ist.

13. Bindung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht eisenhaltige Schicht eine Aluminiumlegierung ist.

14. Bindung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die intermetallische Schicht eine Fe-Al-Legierung ist.