DE2418389A1

DE2418389A1 - Aluminiumlegierung fuer verbrennungskraftmaschinen und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2418389A1
Application number: DE19742418389
Authority: DE
Inventors: David Charles Jenkinson
Original assignee: Comalco Aluminum Ltd
Current assignee: Rio Tinto Aluminium Ltd
Priority date: 1973-04-16
Filing date: 1974-04-16
Publication date: 1974-10-31
Also published as: CA1017601A; FR2225534B1; JPS50116313A; FR2225534A1; GB1437144A

Description

Patentanwälte Lieill, Dr. Paniani, Nc-th, Zeitler München 22, SteinsdorfstraBe 21-22, Telefon 089/29 84 62

B 6680

COMALCO ALUMINIUM (BELL BAY) LIMITED Bell Bay , Tasmania / Australien

Aluminiumlegierung für Verbrennungskraftmaschinen und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung betrifft eine eine gesteuerte MikroStruktur aufweisende Aluminiumsiliciumlegierung, die hauptsächlich als Zylinderblockmaterial bei Verbrennungskraftmaschinen zur Anwendung gelangen soll. Die erfindungsgemäße Legierung zeichnet sich insbesondere durch die Kompatibilität bzw. Verträglichkeit ihrer Arbeitsflächen mit Maschinenkomponenten, wie beispielsweise Kolben, aus, die in Berührung hiermit stehen.

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Die Verwendung von Aluminiumlegierungen, wie beispielsweise Aiuxuriiumsilieiiimlegierungen, für Verbrennungskraftmaschinen ist nicht neu. Obwohl ein zufriedenstellendes Ausmaß an Kompatibilität zwischen zwei Aluminiumflächen bis zum heutigen Tag nicht erreicht worden ist, wurden dennoch verschiedene Wege zur Lösung dieses Problems beschritten, da das Gesaiitkonzept eines Aluminiummotors nach wie vor erstrebt wird. Die bisher beaehrittenen Wege zur Lösung dieses Problems befaßten sich mit der Anordnung von Verkleidungen bzw. Laufbuchsen aus Eisen, mit dem Plattieren der Flächen des Kolbens und/oder der Zylinderbohrung mittels härterer Metalle, wie beispielsweise Eisen oder Chrom. In letzter Zeit wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem Bohrungsflächen aus unplattierter hypereutektischer Aluminiumsiliciumlegierung zur Anwendung gelangen. Diese Bohrongsflächen müssen jedoch einem sorgfältig durchgeführten liachbehandluogsverfahren unterworfen werden und bedingen die Verwendung eisenplattierter Kolben.

All diese Lösungswege beinhalten außerdem einige spezialisierte und aufwendige Formen der Oberflächenbearbeitung von Kolben und/oder Zylinder sowohl vor als auch nach den anfänglichen Herstellungs- und Bearbeitungaverfahren.

Bei der Technologie von Verbrennungskraftmaschinen ließen sich im Hinblick anf die Anwendung von Aluminium beträchtliche Fortschritte erzielen, wenn eine einfachere Einrichtung bzw. ein einfacheres Verfahren zum Erzielen, der Kompatibilität bzw. Verträglichkeit zwischen dem Kolben und den Zylinderbohrungsflächen gefunden werden könnte.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Legierung bzw. ein Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen, durch welche diese Vorstellungen erfüllt werden.

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Die Merkmale der zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen Legierung bzw. des Verfahrens ergeben sich aus den Ansprüchen.

Die Verwendung von Aluminium basierte bisher auf der Auswahl von Legierungen, die sich im Hinblick auf die Erfordernisse von Gießfähigkeit, guter thermischer Leitfähigkeit und geringem Gewicht besonders eignen. Im allgemeinen bewegen sich die verwendeten konventionellen Aluminiurnsiliciumlegierungen im Bereich zwischen hypo-eutektischen (unterhalb etwa 12'1 Si)' und hyper-eutektischen (bis zu etwa 20% Si) Zusammensetzungen. Diese Legierungen enthalten beträchtliche Mengen an Primär-Aluminiumphase und /oder Primär-Siliciumteilehen.

Erfindungsgemäß hat sich nun gezeigt, daß durch eine entsprechende Auswahl der Legierungszusammensetzung und der Gießbedingungen eine fn'ifcastabile eutektische Struktur bei Aluminiumsiliciumlegierungen ausgebildet werden kann, und zwar bei einem Siliciumgehalt, der über der gleichgewichtigen eutektischen Zusammensetzung liegt. Durch Steuerung der Erstarrungsbedingungen wird die Bildung von großen winkligen Idiomorphen aus Primär-Silicium und von Primär-Dendriten aus Aluminium verhindert. An ihrer Stelle werden vollständig abgewandelte kleine fasrige oder kugelförmige Teilchen aus eutektisehem Silicium erzeugt, aufgrund denen die erzeugte MikroStruktur als sehr spezielle Legierungsmikrostruktur angesehen werden kann. Diese zeichnet sich durch einen außergewöhnlich hohen Volumenanteil von feinverteütem. Silicium in Abwesenheit jeglicher Primärphasen aus Aluminium oder Silicium aus. Durch solch eine Struktur wird eine ausgezeichnete Basis der Kompatibilität mit Kolbenflächen aus einer Aluminiumlegierung geschaffen.

Bei den Mikrostrukturen, die bisher durch bekannte Verfahren erzeugt wurden, sind stets unabdingbar Teilchen aus Primär-Aluminium und/oder Primär-Silicium vorhanden. Diese beiden Phasen sind üblicherweise als

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7Λ 1 82

\vt.:ji. xnrKircHii.0 Bereiche vorhinulan. jjei dor Berührung miL ei η or unpi;i.!.l!c:r-Lon AliuttiniiuiiluHbenlcgicrungsfläche ruft daher die Alurninitirnphasn clic Im-Kchcinung des Fressens hervor und die großen winkligen Siliciuuii.'Mlchen können die Kolbenfläche zerkratzen und sogar abhobeln. Die bekannten Verfahren machen es daher erforderlich, daß die Arbeitsfläche ti der Kolben üblicherweise mit Eisen oder Chrom plattiert oder auf irgendeine andere Weise geschützt worden. Stattdessen wird bei unplattierten Kolben eine
Verträglichkeit dadurch geschaffen, daß Gußeisenbüchsen bzw. -hülsen verwendet oder daß die Zylinderbohrungen durch Chrom plattiert werden.

Die erfindungsgcmäßen Mikrostrukturen, die durch gesteuerte Erstarrung an den Arbeitsflächen von Zylinaerblöcken oder Verkleidungen erzeugt
wurden, eignen sich besonders zur Anwendung bei den für Kraftfahrzeuge verwendeten Verbrennungskraftmaschinen sowie bei .verschiedenen kleinen Werkzeugen bzw. Geräten und Antriebseinheiten. Die bei der erfindungsgemäßen Legierung gegebene einzigartige Kombination aus Härte und Mikrostruktur macht es nicht mehr erforderlich, den Kolben oder die Zylinderbohrung mit einem Hartmetall, wie beispielsweise Eisen oder Chrom,
plattieren zu müssen. Im Hinblick hierauf wird mit der Erfindung im
Vergleich zu den augenblicklich bei Verbrennungskraftmaschinen verwendetenAlurniniumsiliciumlegierungen eine außerordentlich große und kennzeichnende Verbesserung erzielt.

Sründungsgemäß ist keinerlei kompliziertes Kolbenplattierverfahren erforderlich. In Verbindung mit konventionellen Zylinderblöcken oder -laufbuchsen können mit Vorteil normale chromplattierte Kolbenringe verwendet werden. Die Verwendung chromplattierter Dichtringe bzw. Kolbendichtringe von geeigneter Tonnen- bzw. Walzenform und die Verwendung chromplattierter mehrstückiger Ölringe hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Wenn diese normalen Kolbenringe in Verbindung mit der erfindungsgemäßen

ORIGINAL INSPECTED

Legierung verwendet werden, läßt sich ein Gesamtergebnis erzielen, das demjenigen entspricht, wie es lediglich in Verbindung mit der sehr viel komplizierteren Technologie des mehrstufigen Kolbenplattierverfahrens erreicht werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Aluminiumsiliciumlegierung, die die zuvor beschriebene spezielle MikroStruktur besitzt, einen außergewöhnlich hohen Volumenanteil an feinverteiltem eutektischem Silicium auf und besitzt keinerlei primäre Aluminium- oder Siliciumphaser.. Die Tiefe solch einer MikroStruktur an einer Arbeitsfläche sollte vorzugsweise nicht weniger als 3-4mm betragen. Hierbei ist eine typische Mikrostruktur dieser Art aus Fig. 1 ersichtlich.

Wie schon erläutert, ist es von Vorteil, die Legie rungs zusammensetzung derart auszuwählen, daß die eutektische Zusammensetzung nach oben hin über den normalen Wert von etwa 12, 7% Si hinaus, wie er r:.·?.!-. in einem. /_>3i Phasendiagramm darstellt, abgewandelt wird. So IsZt c_ol:. die Abwandlung beispielsweise bis zu einem Wert von 18% Si durchführen, was sich durch die Zugabe von bis zu 0,10% Strontium und durch die Auswahl geeigneter Erstarrungsbecingungen erreichen läßt.

Die Brinell-Härte der Legierung kann zwischen 70-150 variiert werden, indem verschiedene Mengen Magnesium, und zv/ar bis zu. maximal 4%, hinzugegeben werden.

Im wesentlichen läßt sich die chemische Zusammensetzung der Legierung folgendermaßen definieren:

.· Λ -Ί C> ' ■' ! Π *? C CT

ORIGINAL INSPECTED

Element Gehalt (%)

Si 11 - 20

Mg 0-4

Fe 0 - 1₍

Sr 0 - 0_;

Na 0 - O_x 10 ·

Al Rest, abgesehen

von Verunreinigungen

Die bevorzugten Elemente zur. Abwandlung der MikroStruktur sind Strontium und/oder Natrium, wobei sich jedoch zu diesem Zweck auch andere Alkalimetalle oder Erdalkalimetalle eignen.

Zusätzlich zu Magnesium kann bis zu 4% Kupfer zur Anwendung gelangen, wobei das Kupfer das Magnesium aber auch vollständig oder· nur teilweise ersetzen kann.

Erfindungsgeinäß ist außerdem auch eine Legierung der folgenden Zusammensetzung vorgesehen:

Element . Gehalt (%)

Si-Mg Cu Fe Sr

Na _ 0 - 0_;

Al Rest, abgesehen

von Verunreinigungen

11-	20	5
0 -	4	10 ^:
0-	4
0 -	¹^
0-

COPY

Du* ^wünschte Mikrostruklur dor Legierung wird erzeugt durch sorgiiiltige Auswahl dor richtigen Kombination aus vier Parametern, nämlich dom Siliciumgehalt, dem Gehalt an Modifizierungsmittel, der Wachslumsgcschwjndigkoit H während der Erstarrung und dem Temperaturgradient G. Unter Wachstumsgeschwindigkeit wird hierbei die Wachstums- »oKchwindigkeil der Festphasen während der Erstarrung bzv/. Verfestigung beim Gießen verstanden, wobei die Waohstumsgeschwindigkeit üblicherweise in Mikron pro Sekunde = μ /s ausgedrückt wird. Unter dem Temperaturgradient wird demgegenüber derjenige Temperaturgradient in C pro cm = C/cm verstanden, der in der Flüssigkeit an der Fest/Flüssig-Grenzfläche während der Erstarrung vorliegt.

Die abgewandelte MikroStruktur kann trotz einer in einem weiten Bereich erfolgenden Abwandlung beliebig yielerder obenerwähnten Parameter unter der Voraussetzung erzeugt werden, daß die Abwandlung eines oder mehrerer der anderen Parameter in Übereinstimmung mit dem gewünschten Ziel des Erreichens der abgewandelten MikroStruktur erfolgt, beispielsweise in der folgenden Art:

14% Si, 0, 0% Sr, G = 100°C/cm, R = 700 - 2200 μ/s

0, 005% Sr, G = T00°C/cm, E = 250 - 2200 μ/s

0, 01% Sr, G = 100°C/cm, E = 12 - 2200 μ/s

15% Si, 0,0% Sr, G = 100°C/cm, E = 850 - 5000 μ/s

0, 005% Sr, G = 100°C/cm, E = 200 - 5000 μ/s

0, 01% Sr, G = 100°C/cm, E = 10 - 5000 μ/s

In gleicher Weise kann ein Anstieg der Wachstumsgeschwindigkeit E außerhalb der obigen Bereiche zugelassen werden, wenn sich gleichzeitig ein entsprechender Anstieg beim Temperaturgradient G ergibt.

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Copy

Die bevorzugte Wachstumsgeischwindigkeit R bei den obenerwähnten Größenbereichen liegt etwa bei 300 μ/s, während der bevorzugte Temperaturgradient G im Bereich von 100- 200 C/cm liegt. Wenn diese Bedingungen erfüllt werden, lassen sich Teilchen aus vollständig abgewandeltem eutektischem Silicium von etwa 0,1μ Durchmesser erzielen.

Aus Fig. 2 sind unter anderem der Größeribereich der Siliciumgehalte und die Wachstumsgeschwindigkeiten ersichtlich, die bei einem vorgegebenen Strontiumgehalt zur Erzeugung vollständig abgewandelter Mikrostrukturen erforderlich sind. Der durch das Diagramm gemäß Fig. 2 dargestellte Temperaturgradient G liegt in der Größenordnung von 100-200 C/cm.

Ausftihrungsbeispiel

Ein typisches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Legierung in Form von Zylinder verkleidungen bzw. Zylinderlaufbuchsen von etwa 142mm Länge und einem Innendurchmesser von 76 mm wurde in einem Automotor (vier Zylinder, Reihenanordnung, wassergekühlt) eines Renault R 16 untersucht.

Der Siliciumgehalt der Legierung betrug 14,4%, während der Gehalt an Strontium im größten Bereich von 0,017 - 0,023% und der Gehalt von Magnesium im größten Bereich von 0,45 - 0,52% lag.

Die Zylinder Verkleidungsgußstücke wurden in einem Ofen mit gerichteter Erstarrung bei einer Wachstumsgeschwindigkeit von etwa 300 μ/s und einem Temperaturgradient von etwa 150 C/cm erzeugt. Die sich ergebenden abgewandelten Siliciumteilchen hatten einen Durchmesser von etwa 0,1μ , was klein genug war, um die Notwendigkeit irgendeines aufwendigen Nachbehandlungsverfahrens auszuschalten. Die allgemeine MikroStruktur entsprach derjenigen gemäß Fig. 1.

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Die Verkleidungen wiesen eine Brinell-Härte von 118-134 auf.

Die einzige Behandlung der Bohrungen der Verkleidungen nach der maschinellen Bearbeitung lag darin, daß die sich aufgrund der maschinellen Bearbeitung ergebende Aluminiumschmiere in einer schwachen, warmen Natronätzlauge beseitigt wurde, dem ein einfaches Abwaschen folgte.

Bei den Versuchen wurden gemäß einer Empfehlung des Motorherstellers drei Stück chromplattierte Ölringe sowie chromplattierte "walzen- bzw! tonnenförmige" Druckringe verwendet.

Aus der folgenden Tabelle sind die Versuchsbedingungen sowie die nach dem Versuch erzielten Druckwerte für einen Testlauf über 61 Stunden ersichtlich. Aus der Tabelle sind außerdem zum Vergleich diejenigen Ergebnisse ersichtlich, die sich bei der Anwendung normaler Gußeisenverkleidungen beim selben Motor ergaben.

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Tabelle (Druckwerte)

(D Neuer Motor

(2)

Nach dem
Einlaufen

(3)

Nach Belastungsversuchen

(4)

Nach Standzeitversuchen

Normales Gußeisen

12,7; 12, 7 kp/cm' (1 240 MPa)

13,3; 13,7kp/cni (1 295; 1 344MPa)

13,7; 13,4kp/cin
(1 344; 1 309 MPa)

13,4; 12, 7 kp/cna (1 309; 1 240 MPa)

Aluminiumle- 12,7; 12,7kp/cm^ gierungsver- _(l _{24Q Mp} kleidungen ^ ^^{4U MPa)}

13,0; 13,0 kp/cm' (1 275 MPa)

12,7; 12, 7 kp/cm'
(1 240 MPa)

13,0; 13,0 kp/cm* (1 275 MPa)

Legende: (1) Nach dem Aufwärmen über einen Zeitraum von 15 Minuten im Leerlauf

(2) Nach 3-stündigem Lauf bei Drehzahlen bis zu 2200 U/min

(3) Nach etwa 2-stündigem Lauf unter verschiedenen Belastungen bis,zu maximaler Drehzahl und bei weit geöffneter Drossel bzw. mit vollständig niedergetretenem Gaspedal

(4) Fach einem Lauf über weitere 54, 75 Stunden (einschließlich verschiedener Aufwärmperioden aus dem kalten Zustand heraus) bei weit geöffneter Drossel und veränderten Belastungen zur Einstellung einer Drehzahl zwischen 1500 und 5250 U,/'min.

Als Ergebnis des Versuchs hat sich gezeigt, daß der Verschleiß bei der .die Legierung aufweisenden Bohrung vernachlässigbar klein ist und daß
im Vergleich zu einem normalen Motor der Verbrauch an Öl und Benzin etwas geringer war, während die erzielbare Leistung etwas höhere Werte

aufwies.

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Claims

Patentansprüche

1. Aluminiumsiliciamlegierung für, die Arbeitsfläche der Zylinderblöcke von. Verbrennungskraftmascbinen, die eine bestimmte MikroStruktur aufweisen, gekennzeichnet durch einen hohen Volumenanteil von feinverteiltem eutektischem Silicium und durch die Abwesenheit von Primär-Aluminium- oder Primär-Siliciumphase.

2. Legierung nach,Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Silicium in Form vollständig veränderter fasriger oder kugeliger Teilchen aus eutektischem Silicium mit einer Größe von weniger als 10μ vorliegt.

3. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Siliciumteilchen weniger als 1 μ beträgt.

4. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:

Element Gehalt (%,

Si Mg Fe Sr Na

Al Rest, abgesehen

von Verunreinigungen.

11- 20 5 0- 4 10 0- h 10 0- 0- o

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5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:

Element Gehalt (%)

11- 20 0- 4 0- 4 0-
0- 0_;10 0- Oy 10 Rest
von , abgesehen
Verunreinigungen.

Si Mg Cu Fe Sr Na Al

6. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch 11 - 20% Si, bis zu 0,10% Sr und Eest Al, außer Verunreinigungen.

7. Legierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Zusammensetzung dem Bereich M gemäß Fig. 2 entspricht.

8. Verfahren zur Herstellung der Legierung nach einem der Ansprüche

1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzielen der gewünschten Mikrostruktur die Wachstumsgeschwindigkeit und der Temperaturgradient während der Verfestigung entsprechend gesteuert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturgradient im Bereich von 100 - 500 C/cm und die Wachstumsgeschwindigkeit im Bereich von 10 - 5000 μ/s liegen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturgradient im Bereich von 100 - 200 Cy im Bereich von 200 - 400 μ/s liegen.

gradient im Bereich von 100 - 200 C/cm und die Wachstumsgeschwindigkeit

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