DE2953015C1 - Verfahren zur Herstellung von Graphitteilchen enthaltenden Aluminiumlegierungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Graphitteilchen enthaltenden Aluminiumlegierungen

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Ohsawa Hitachi Ibaraki Masato
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von 2 bis 30 Gew.-% Graphitteilchen enthaltenden Metallegierungen, bei dem die Benetzbarkeit der Graphitteilchen durch Zugabe mindestens eines Zusatzelements zu der Legierungsschmelze vor der Zugabe der Graphitteilchen verbessert und die Schmelze nach dem Dispergieren der Graphitteilchen unter Druck verfestigt wird.
Für viele in Gleitkontakt stehende Bauteile von Verbrennungsmotoren, wie Lager, Zahnräder, Kolben, Zylinder, Gleitstücke, Schieber und dergleichen weden üblicherweise Metallegierungen verwendet, die ein festes Schmiermittel enthalten. Diese Methode wird mit der Absicht angewandt, Verluste der Schmierwirkung zu kompensieren, indem man eine Selbstschmierungswirkung des festen Schmiermittels vorsieht, wenn der Film eines Schmierölfilms zerstört wird. Es hat sich gezeigt, daß Graphit als solches festes Schmiermittel sehr gut geeignet ist. Daher wurden bislang verschiedene Graphitteilchen enthaltende Legierungen vorgeschlagen und hergestellt. Die meisten Metallegierungen, die Graphitteilchen enthalten, werden pulvermetallurgisch hergestellt, was zur Folge hat, daß die erhaltenen gesinterten Produkte keine ausreichenden mechanischen Eigenschaften aufweisen.
Für die Herstellung großer Bauteile werden die Herstellungskosten wesentlich höher als bei der Herstellung von Gußteilen oder Schmiedeteilen. Es wurden daher auf dem betreffenden Fachgebiet erhebliche Anstrengungen unternommen, eine Gießtechnik zu entwickeln, die es ermöglicht, Graphitteilchen gleichmäßig in Metallegierungen zu dispergieren, ohne daß Graphitteilchen aufschwimmen.
Insbesondere wurden in jüngster Zeit als Methode zur Dispergierung der Graphitteilchen in Aluminium-Legierungsschmelzen (mit einer Graphitlöslichkeit von weniger als 0,01 Gew.-%), für die der Graphit metallurgisch unverträglich ist, ohne Aufschwimmen der Graphitteilchen, die folgenden Methoden vorgeschlagen.
Es wurde ein Verfahren vorgeschlagen, gemäß dem ein gemischtes Pulver aus mit Nickel beschichteten Graphitteilchen und einem Halogenid in eine Schmelze aus einer über-eutektischen Aluminium-Siücium-Legierung (Al-Si) eingearbeitet und mit Hilfe einer Rühreinrichtung Wirbel in der Schmelze erzeugt werden, um die Graphitteilchen gleichmäßig in der Schmelze zu dispergieren, und ein Verfahren vorgeschlagen, gemäß dem in einem Trägergas suspendierte, metallbeschichtete Graphitteilchen in eine Schmelze einer Aluminiumlegierung eingeblasen werden, wie es in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 45-13 224 beschrieben ist.
Diese Methoden zeigen jedoch die nachstehend beschriebenen Probleme oder Nachteile. Bei jeder dieser Methoden ist es unerläßlich, daß die Oberfläche der zu dispergierenden Graphitteilchen metallbeschichtet ist. Man kann die Metallschicht auf der Oberfläche der Graphitteilchen durch chemisches Metallisieren oder dergleichen erzeugen. Dieses Verfahren umfaßt jedoch komplizierte Verfahrensschritte und Probleme hinsichtlich der Abwasserbehandlungsvorrichtungen und dergleichen, so daß die Kosten der Produkte in nachteiliger Weise erhöht werden.
Da die Oberflächen der metallbeschichteten Graphitteilchen in oxidiertem Zustand vorliegen, neigen sie beim Einbringen und Dispergieren in der Schmelze dazu, wegen ihrer schlechten Benetzbarkeit mit der Schmelze an die Oberfläche der Schmelze aufzusteigen, so daß es unmöglich wird, die Graphitteilchen gleichmäßig in der Schmelze zu dispergieren. Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Benetzbarkeit durch Behandeln der Graphitteilchen in einer Wasserstoffatmosphäre zu verbessern.
In diesem Fall werden jedoch wegen der Freisetzung von Wasserstoff aus dem Inneren der Graphitteilchen viele Gaseinschlüsse gebildet, so daß für die Praxis geeignete Produkte nicht erhalten werden können.
Um einen ausreichenden Schmiereffekt des Graphits bei trockener Reibung zu erreichen, ist es erforderlich,
Graphit in einer Menge von 2—30 Gew.-% in das Aluminium oder seine Legierungen einzuarbeiten. Die Verwendung von metallbeschichteten Graphitteilchen ist nicht dazu geeignet, eine solche große Menge von Graphitteilchen innerhalb kurzer Zeit mit hohem Wirkungsgrad in eine Schmelze einzubringen und darin zu dispergieren.
Wenn es angestrebt wird, eine große Menge von metallbeschichteten Graphitteilchen in einer Portion in die Schmelze einzubringen und darin zu dispergieren, wird die zum Schmelzen des Metalls erforderliche Wärme aus der als Matrix vorliegendenSchmelze entnommen, wodurch die Temperatur der Matrix schnell abgesenkt und die Fluidität der Schmelze vermindert werden, was zur Folge hat, daß die zugesetzten metallbeschichteten b5 Graphitteilchen dazu neigen, an die Oberfläche der Schmelze aufzuschwimmen. Die einmal an die Oberfläche der Schmelze aufgeschwommenen metallbeschichteten Graphitteilchen können wegen ihrer Oberflächenoxidation nicht erneut in der Schmelze dispergiert werden. Wenn es demzufolge angestrebt wird, eine große Menge von Graphitteilchen in der Schmelze zu dispergieren, ist es erforderlich, die Graphitteilchen nach und nach in
kleinen Portionen einzubringen und /u dispergieren, so daß eine große Zeidauer erforderlich ist, die vorbestimmte Menge des Graphits zu dispergieren.
Wenn es erforderlich ist, zum Dispergieren der in die Schmelze eingebrachten und dispergierten Graphitteilchen eine lange Zeitdauer anzuwenden, beginnt der im Anfangszustand granuläre Graphit an die Oberfläche der Schmelze aufzuschwimmen, so daß der Wirkungsgrad der Ausnützung des Graphits erheblich vermindert wird.
Wenn man eine Pulvermischung verwendet, ist eine erhebliche Zeitdauer für das Durchmischen erforderlich und es ist äußerst schwierig, eine geeignete Teilchengröße auszuwählen, die für das Vermischen der in der Schmelze zu dispergierenden Graphitteilchen geeignet ist. Wenn man ein Trägergas verwendet, sind die zu verwendenden Graphitteilchen auf sehr feine Teilchen begrenzt und es ist zur Beendigung der Dispersion einer vorbestimmten Menge der Graphitteilchen eine erhebliche Zeitdauer erforderlich.
Es ist daher auf dem in Rede stehenden Fachgebiet erwünscht, ein Verfahren zur Herstellung von Graphit enthaltenden Aluminiumlegierungen zu entwickeln, bei dem Graphitteilchen verwendet werden können, die nicht mit einem Metall beschichtet sind.
Es war bereits bekannt, graphithaltige Kupferlegierungen dadurch herzustellen, daß Graphitteilchen in der Schmelze einer Kupferlegierung, der mindestens eines der Elemente Titan, Chrom, Magnesium und Zirkonium zugesetzt worden ist, dispergiert werden (DE-OS 27 04 376). Bei den verwendeten Zusätzen handelt es sich zwar um Carbidbildner, andererseits wird jedoch in dieser Patentschrift darauf hingewiesen, daß andere, ebenfalls carbidbildende Elemente nicht geeignet sind. Die bekannte Verfahrensweise ist offensichtlich genau auf die Anwendung auf eine Kupferlegierung abgestimmt und es ist nicht ersichtlich, daß eine ähnliche Maßnahme bei der Dispergierung von Graphitteilchen in anderen Legierungen angewendet werden könnte.
Bekannt war außerdem (DE-AS 21 64 568), daß man bei einem Verfahren zum Einarbeiten von Kohlenstoffasern in eine Aluminiumlegierung die Benetzbarkeit der Kohlenstoffasern dadurch verbessern kann, daß der Aluminiumlegierung Elemente zugesetzt werden, die leichter Carbide mit den Kohlenstoffasern bilden, als Aluminium. Diese bekannte Maßnahme war jedoch nicht geeignet, einen Hinweis auf die anmeldungsgemäße Problemstellung zu geben, da Kohlenstoffasern äußerst leicht unter Bildung von Carbiden reagieren, Graphit jedoch unter den angewendeten Verfahrensbedingungen nicht mit Aluminium reagiert und daher an der Oberfläche der in einer Aluminiumlegierung zu dispergierenden Graphitteilchen keine Carbidschicht ausgebildet wird.
Demgegenüber liegt der Erfindung die spezielle Aufgabenstellung zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Graphit enthaltenden Aluminiumlegierungen anzugeben, mit dessen Hilfe 2 bis 30 Gew.-% Graphitteilchen innerhalb kurzer Zeit in Aluminiumschmelzen oder Aluminiumlegierungsschmelzen dispergiert werden können, ohne daß es erforderlich ist, mit Metall beschichtete Graphitteilchen zu verwenden, und mit dessen Hilfe eine feine Gußstruktur erhalten wird und praktisch kein Aufschwimmen der Graphitteilchen an der Oberfläche der Schmelze erfolgt.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von 2 bis 30 Gew.-% Graphitteilchen enthaltenden Metallegierungen, bei dem die Benetzbarkeit der Graphitteilchen durch Zugabe mindestens eines Zusatzelements zu der Legierungsschmelze vor der Zugabe der Graphitteilchen verbessert und die Schmelze nach dem Dispergieren der Graphitteilchen unter Druck verfestigt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Herstellung von Graphitteilchen enthaltendem Aluminium oder Aluminiumlegierungen als Zusatzelement mindestens eines der Elemente Titan, Chrom, Zirkonium, Nickel, Vanadium, Kobalt, Mangan und Niob in einer Menge im Bereich von 1,5 bis 20 Gew.-% oder Phosphor in einer Menge von 0,1 bis 4 Gew.-% zugesetzt wird und die Schmelze unter einem Druck von 400 bis 1000 bar verfestigt wird.
Erfindungsgemäß ist es möglich, eine Aluminiumgußlegierung herzustellen, in der die Graphitteilchen im wesentlichen gleichmäßig im gesamten Gußblock dispergiert sind, wobei die Verwendung eines metallischen Überzugs auf der Oberfläche der Graphitteilchen vermieden und das Aufschwimmen der Graphitteilchen verringert werden. Selbst wenn die erhaltene, die Graphitteilchen enthaltende Aluminiumlegierung erneut schmilzt, schwimmen die Graphitteilchen nicht an die Oberfläche der Schmelze auf.
Die Zeichnung zeigt anhand einer einzigen Figur die Beziehung zwischen der dispergierten Menge der Graphitteilchen und der Teilchengröße des Graphits, wenn man Additivmetalle in variierenden Mengen in eine Aluminiumlegierungs-Schmelze einarbeitet.
Im folgenden sei die beste Ausführungsform der Erfindung genauer erläutert.
Vorzugsweise enthält die Aluminiumlegierung, in die die Graphitteilchen eingebracht und dispergiert werden, mindestens eines der Elemente Zinn (Sn), Kupfer (Cu), Blei (Pb) oder Silicium (Si). Der Grund für die Verwendung solcher Legierungen ist darin zu sehen, daß, wenn man Graphitteilchen in Al-Sn-, Al-Cu-, Al-Pb- und Al—Si-Legierungen, die bislang in großem Umfang für Lager und dergleichen verwendet worden sind, einarbeitet, die Verwendung dieser Legierungen weiter gefördert werden kann.
Bevor die Graphitteilchen in die Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Schmelze eingeführt werden, wird mindestens ein Element, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Ti, Cr, Zr, V, Nb, Ni, Co, Mn umfaßt, oder P in die Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Schmelze eingearbeitet. Diese Elemente wurden aufgrund von experimentellen Ergebnissen ausgewählt.
Neben diesen neuen Elementen wurden Untersuchungen mit weiteren 11 Elementen durchgeführt, nämlich Barium (Ba), Beryllium (Be), Cer (Ce), Eisen (Fe), Cäsium (Cs), Kalium (K), Neptunium (Np), Calcium (Ca), Wolfram (W), Hafnium (Hf) und Antimon (Sb), wobei es sich jedoch gezeigt hat, daß die letzteren Elemente, das heißt die zuletzt erwähnten 11 Elemente, keine Wirkung im Hinblick auf die Unterdrückung des Aufschwimmens der Graphitteilchen entfalten. Die untersuchten Elemente sind allgemein als Carbid bildende Elemente bekannt, wobei es sich gezeigt hat, daß lediglich die zuerst erwähnten 9 Elemente den Effekt besitzen, das Aufschwimmen der Graphitteilchen zu unterdrücken. Wenn man im Fall dieser Elemente die Texturen der gebildeten Produkte mit Hilfe eines Elektronenmikroskops bei tausendfacher Vergrößerung untersucht, läßt sich an der Grenzfläche
zwischen den Graphitteilchen und der Aluminiumlegierung keine Carbidschicht feststellen.
Wenn man, wie bereits erwähnt, Graphitteilchen in einer Menge von 2—30 Gew.-% einarbeitet, kann man die
höchste Schmierwirkung erreichen, wenn man das Produkt unter trockener Reibung verwendet. Es ist schwierig, eine ausreichende Schmierwirkung zu erzielen, wenn man weniger als 2 Gew.-% der Graphitteilchen einarbeitet.
Wenn man die Graphitteilchen in einer Menge von mehr als 30 Gew.-°/o verwendet, werden sowohl die Abriebbeständigkeit als auch die mechanische Festigkeit beeinträchtigt.
Wenn man die Graphitteilchen in einer Menge im Bereich von 2—30 Gew.-% einarbeitet, ist es bevorzugt, mindestens eines der Elemente Ti, Cr, Zr, Ni, V, Co, Mn oder Nb zuvor in einer Menge im Bereich von 1,5—20 Gew.-% in dieSchmelze einzubringen. Wenn man diese Elemente in einer Gesamtmenge von mehr als 20 Gew.-% einarbeitet, besteht die Gefahr, daß möglicherweise unerwartete Defekte auftreten, wenn man die erhaltene Gußlegierung als Lager oder Kolben verwendet, selbst wenn man den Effekt des Verhinderns des Aufschwimmens von Graphit erreichen kann.
Demzufolge wird es nicht empfohlen, diese Elemente in einer Gesamtmenge von mehr als 20 Gew.-% einzuarbeiten. Anstelle dieser Elemente kann man zur Erzielung eines ähnlichen Effektes 0,1—4 Gew.-% Phosphor in die Schmelze einarbeiten.
Wenn man den Graphit in einer Menge von 20—30 Gew.-% einarbeitet, sind die erhaltenen graphithaltigen Aluminiumlegierungen als metallische Bauteile geeignet, die unter Bedingungen niedriger Belastung und hoher Geschwindigkeit verwendet werden können.
Wenn man Graphit in einer Menge von 15—20 Gew.-% einarbeitet, sind die erhaltenen Aluminiumlegierungen für metallische Bauteile geeignet, die unter Bedingungen hoher Belastung und niedriger Geschwindigkeit eingesetzt werden können.
Wenn man den Graphit in einer Menge von 2—15 Gew.-%, insbesondere von 3—5 Gew.-% einarbeitet, sind die erhaltenen Aluminiumlegierungen für metallische Bauteile geeignet, die unter Reibungsbedingungen in Gegenwart von öl als Schmiermittel verwendet werden, da die graphithaltigen Abschnitte als ölreservoir wirken.
Am stärksten bevorzugt ist es, die Temperatur der Schmelze beim Einbringen der Graphitteilchen in einem Bereich zu halten, der sich von einer Temperatur von 50° oberhalb der Liquidustemperatur bis zu etwa 9000C erstreckt Wenn man die Temperatur nicht oberhalb eines Bereiches von mehr als 50° oberhalb der Liquidustemperatur hält, ergibt sich eine Verminderung der Fluidität der Schmelze, so daß die Gefahr der Bildung von Gaseinschlüssen besteht.
Es ist nicht bevorzugt, die Temperatur der Schmelze bei mehr als 900° C zu halten, da die Graphitteilchen dann zum Aufschwimmen neigen.
Es ist möglich, teilweise natürliche Graphitteilchen oder teilweise synthetische Graphitteilchen zu verwenden.
Die Liquidustemperaturen betragen etwa 570°C im Fall einer Al—Si-Legierung, die 12 Gew.-% Silicium enthält, etwa 7000C im Fall einer Al—Si-Legierung, die 20 Gew.-% Silicium enthält, etwa 64O0C im Fall einer Al—Sn-Legierung, die 10 Gew.-% Sn enthält und etwa 65O0C im Fall einer Al—Cu-Legierung, die 4 Gew.-% enthält. Es wird empfohlen, Cu, Mg, Ni, Zn, Mn oder Pb oder ähnliche Legierungselemente in geringen Mengen zu den genannten zwei Elemente-Matrixsystemen zuzugeben, um die Festigkeit der Matrix zu verbessern. Die Liquidustemperatur ändert sich mit der Menge der Elemente, die zur Unterdrückung des Aufschwimmens der Graphitteilchen zugesetzt werden, wobei in dem Fall, daß Graphitteilchen in geeigneter Weise zugesetzt werden, um deren Aufschwimmen zu verhindern, die Temperatur sich lediglich innerhalb eines Bereiches von ±200° C ändert.
Unmittelbar vor dem Einarbeiten der Graphitteilchen hält man die Schmelze stationär oder man bewegt sie.
Wenn man die Schmelze stationär hält, sollte sie nach dem Einarbeiten der Graphitteilchen bewegt werden. In jedem Fall werden nach dem Einbringen der Graphitteilchen die Graphitteilchen durch Rühren oder Bewegen der in der Schmelze erzeugten Wirbel in der Schmelze suspendiert, wodurch die Dispersion der Graphitteilchen erleichtert wird.
Diese Maßnahme ist äußerst wichtig, wobei dann, wenn diese Maßnahme nicht durchgeführt wird, man keine Gußblöcke erhalten kann, in denen die Graphitteilchen gleichmäßig dispergiert sind. Wenn das Bewegen oder Rühren der Schmelze beendet ist und die Schmelze einen stationären Zustand angenommen hat, wird sie unter Druck verfestigt. Diese Verfestigung unter Druck führt zu einer schnellen Verfestigung der Schmelze. Die Wärmeübertragung zwischen der Schmelze und der Gußform wird durch die Anwendung des Druckes gefördert, die Verfestigung der Schmelze wird beschleunigt und man erhält eine feine Gußstruktur.
Weiterhin verschwinden auch die Gußfehler in dem Block. Für die Verfestigung unter Druck wird ein Druck im Bereich von 400—1000 bar angewendet. Wenn man bei einem Druck von weniger als 400 bar arbeitet, können die Gase nicht ausreichend entfernt werden. Wenn man bei einem Druck von mehr als 1000 bar arbeitet, sind große und kostspielige Vorrichtungen zur Anwendung dieses Druckes erforderlich.
Es ist weiterhin möglich, durch Veränderung der für den Gußvorgang verwendeten Metallform einen Block zu gießen, in dem der Graphit gleichmäßig dispergiert ist, beispielsweise dadurch, daß man den Durchmesser der M) metallischen Gußforni eng und die Gußform lang macht, und indem man ein Wasserkühlsystem verwendet.
Bei den graphitenthaltcnden Aluminiumlegierungen wirk! der Graphit im allgemeinen als festes Schmiermittel und trägt stark zu einer Verbesserung der Abriebbeständigkeil bei. Dieser Effekt wird durch die Teilchengröße der verwendeten Graphitteilchen beeinflußt.
Wenn die Größe der Graphitteilchen zu gering ist, erfolgt eine Kohäsion der unter Reibungseinwirkung stehenden Graphitteilchen, so daß der Graphit an der Reiboberfläche des in Kontakt stehenden Bauteils anhaftet. Dieses Phänomen beobachtet man häufig, wenn die Teilchengröße des Graphits im Bereich von 20—50 μιη liegt. Wenn die Teilchengröße unterhalb dieser Werte gehalten wird, wird der an den Kontaktoberflächen anhaftende Graphit aus dem Reibungssystem ausgetragen.
Aus den obigen Gründen ist es bevorzugt, Graphitteilchen mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 50 μηι zu verwenden. Der Grad der Dispersion der Graphitteilchen wird durch die Bewegungsgeschwindigkeit oder Rührgeschwindigkeit der Schmelze beeinflußt. Ein Beispiel hierfür sei im folgenden gegeben: Man schmilzt eine Aluminiumlegierung, die 12 Gew. % Si und 3 Gew.-% Cr enthält, in einem Graphittiegel mit einem Innendurchmesser von 90 mm und hält sie bei einer Temperatur von 7000C. Dann gibt man unter Rühren der Schmelze mit Hilfe eines mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten betriebenen Flügelrührers natürliches Graphitpulver einer Teilchengröße von 60—80 mesh (177—250 μπι) in einer Menge von 9 Gew.-% zu der Schmelze und beobachtet den Dispergierzustand der Graphitteilchen. Bei einer Rührgeschwindigkeit von weniger als 50 min-' wird die Schmelze lediglich gerührt, ohne daß sich Wirbel bilden, so daß eine lange Zeit erforderlich ist, die Graphitteilchen in der Schmelze zu dispergieren. Weiterhin läßt sich selbst bei einer langen Rührdauer wegen Flecken an den Oberflächenschichten ein geringer Teil der Graphitteilchen nicht in der Schmelze dispergieren.
Bei einer Rührgeschwindigkeit von mehr als 500 min -' ist zu beobachten, daß eine Vielzahl von ungeordneten Wirbeln gebildet werden und die eingearbeiteten Graphitteilchen an der Oberfläche der Schmelze aufschwimmen. Bei einer Rührgeschwindigkeit von 50—500 min-' werden normale Wirbel gebildet und die Graphitteilchen in der Schmelze dispergiert.
Einige Ausführungsformen der Erfindung seien im folgenden erläutert und einer Reihe von Vergleichsbeispielen gegenübergestellt.
Beispiel 1
In einem Graphittiegel mit einem Innendurchmesser von 90 mm schmilzt man 700 g einer Al—Si-Legierung, die 20 Gew.-% Si enthält, und hält die Schmelze bei einer Temperatur von 6500C. Dann taucht man einen Flügelrührer in den Tiegel ein und rührt die Al—Si-Legierungsschmelze durch Drehen dieses Flügelrührers bei 100 min-', um Wirbel in der Schmelze zu bilden.
Dann gibt man pulverisierten natürlichen Graphit mit einer Teilchengröße von 177 — 250 μπι (60—80 mesh) in einer Menge von 9 Gew.-% zu der Schmelze. Man arbeitet eines der Elemente Ti, Cr, Zr, V, Ni, Co, Mn und Nb in die Schmelze ein, wobei man die Menge dieses zugesetzten Elements ändert, um die Menge des Additivelements zu bestimmen, die erforderlich ist, die Graphitteilchen in Mengen von bis zu 30 Gew.-% zu dispergieren, ohne daß die Graphitteilchen aufschwimmen. Die hierbei erhaltenen Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle I zusammengestellt. Es ist ersichtlich, daß wenn die Schmelze eines dieser Elemente in einer Menge von 1,5—20 Gew.-% enthält, die Graphitteilchen in einer Menge von 2—30 Gew.-% eingearbeitet werden können. Bei dieser Verfahrensweise erfolgt die Verfestigung unter Druck bei einem Druck von 600 bar.
Man schmilzt einen Block, der Graphitteilchen und ein Element enthält, das das Aufschwimmen des Graphits in wirksamer Weise verhindert, erneut, wobei keine Graphitteilchen aufschwimmen. Man beobachtet keinen Unterschied bezüglich der Dispersion der Graphitteilchen in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Additivelementen.
Vergleichsbeispiel 1
In einem Graphittiegel mit einem Innendurchmesser von 90 mm schmilzt man 700 g einer Al —Si-Legierung, die 20 Gew.-°/o Si enthält, und hält die Schmelze bei einer Temperatur von 8500C. Dann taucht man einen Flügelrührer in den Tiegel und rührt die Al —Si-Legierungsschmelze mit Hilfe dieses Flügelrührers bei 100 min-', um Wirbel in der Schmelze zu erzeugen. Dann versetzt man die Schmelze mit 9 Gew.-% pulverisiertem natürlichem Graphit mit einer Teilchengröße von 177 — 250 μπι (80 bis 60 mesh) und verfestigt das Material bei einem Druck von 600 bar. In diesem Fall schwimmt jedoch der Graphit an der Oberfläche der Schmelze und dispergiert sich nicht in der Schmelze.
Vergleichsbeispiel 2
In einem Graphittiegel mit einem Innendurchmesser von 90 mm schmilzt man 700 g einer Al —Sn-Legierung, die 10Gew.-% Sn enthält, und hält die Schmelze bei einer Temperatur von 6500C. Man taucht einen Flügelrührer in den Tiegel und rührt die Al — Sn-Legierungsschmelze mit Hilfe dieses Flügelrührers bei 100 min-' zur Erzeugung von Wirbeln in der Schmelze. Dann versetzt man die Schmelze mit 9 Gew.-% pulverisiertem natürlichem Graphit mit einer Teilchengröße von 177 — 250 μπι (80—60 mesh) und verfestigt das Material bei einem Druck von 600 bar. Die Graphitteilchen schwimmen jedoch an der Oberfläche der Schmelze und dispergieren sich nicht in der Schmelze.
Vergleichsbeispiel 3
Unter Bedingungen, die ähnlich denen des Vergleichsbeispiels 1 sind, bildet man eine Al—Si-Legierungsschmelze und versetzt die Schmelze einzeln mit den Elementen Ba, Be, Ce, Hf, Cs, Fe, K., Ca, Mg, Np und Sb. Dann rührt man die Schmelze zur Erzeugung von Wirbeln. Unter diesen Bedingungen gibt man pulverisierten natürlichen Graphit mit einer Teilchengröße von 177 — 250 μπι zu der Schmelze. Die Graphitteilchen schwimmen jedoch auf der Oberfläche der Schmelze und dispergieren sich nicht in der Schmelze.
In den nachfolgenden Tabellen I und Il wurde der erfindungsgemäße obere Grenzwert für den Graphitzusatz von 30% teilweise überschritten bzw. die erfindungsgemäß umzusetzende Menge an Zusatzelementen unterschritten, um die Gesetzmäßigkeit aufzuzeigen, wonach sich bei einer Erhöhung der Menge des Zusatzelements
die Menge der in der Schmelze dispergierbaren Graphitteilchen erhöht.
Tabelle 1 Menge der dispergierten Graphitteilchen (Gew.-%)
Elemente Menge (Gew. 2 6 -%) 8 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20
1 6 3 8 11 14 17 20 24 28 30 32
10 Ti 3 7 8 11 14 17 19 23 27 29 31 — — — —
Cr 3 6 8 12 14 17 21 23 27 29 31 — — — —
Zr 3 3 5 11 14 17 20 24 28 30 32 — — —
V 3 3 5 7 9 10 12 13 15 16 18 21 25 27 30
Ni 2 6 8 6 8 10 11 13 14 16 17 20 24 27 30
15 Mn 2 3 5 12 14 17 20 24 28 30 32 — — — —
Co 3 16 30 7 9 12 16 18 21 25 — — — — —
Nb 2 _
P 6
Beispiel 2
In einem Graphittiegel mit einem Innendurchmesser von 90 mm schmilzt man 700 g reines Aluminium und hält die gebildete Schmelze bei einer Temperatur von 710°C. Dann taucht man einen Flügelrührer in den Tiegel und rührt die Aluminiumschmelze mit Hilfe dieses Flügelrührers bei 100 min-' zurErzeugung von Wirbeln in der Schmelze. Dann gibt man 9 Gew.-% pulverisierten natürlichen Graphit mit einer Teilchengröße von 177—250 μπι (80—60 mesh) zu der Schmelze. DieGraphitteilchen schwimmen jedoch an der Oberfläche der Schmelze und dispergieren sich nicht in der Schmelze. Wenn man jedoch eine Al—Ti-Legierungsschmelze, die 5 Gew.-% Ti enthält, bei einer Temperatur von 1100°C unter den oben angegebenen Rührbedingungen hält und die Graphitteilchen in der gleichen Menge zusetzt, dispergieren sich die Graphitteilchen in der Schmelze und schwimmen nicht an die Oberfläche der Schmelze auf.
Man verfestigt die graphithaltige Aluminiumschmelze unter einem Druck von 600 bar und erhält eine den Graphit enthaltende Aluminiumlegierung.
Beispiel 3
In einem Graphittiegel mit einem Innendurchmesser von 90 mm schmilzt man eine Al—Cu-Zr-Legierung, die 50 Gew.-% Cu und 3 Gew.-% Zr enthält, und hält die gebildete Schmelze bei einer Temperatur von 750° C. Dann taucht man einen Flügelrührer in den Tiegel ein und rührt die Al—Cu-Zr-Legierung mit Hilfe dieses Rührers bei 100 min-' zur Erzeugung von Wirbeln in der Schmelze. Dann gibt man pulverisierten natürlichen Graphit mit einer Teilchengröße von 150—105 μπι (100-150 mesh), 177—150 μπι (80-100 mesh), 250-177 μιη (60—80 mesh), 500—250 μπι (32-60 mesh), 710-500 μηι (24-32 mesh) oder mehr als 710 μπι ( + 24 mesh) in einer Menge von 2 Gew.-% in einer Portion zu der Schmelze, bis das Aufschwimmen der Graphitteilchen erfolgt, um die Beziehung der Menge des dispergierten Graphits und der Teilchengröße des Graphits zu untersuchen. Die Verfestigung der Legierung unter Druck erfolgt bei einem Druck von 600 bar. Unter Anwendung ähnlicher
Methoden und bei Änderung der Zr-Menge untersucht man die Beziehung zwischen der Menge des dispergierten Graphits und der Teilchengröße. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellt. Der in der Figur dargestellte Bereich I ist der Bereich, in dem der Graphit aufschwimmt, während der Bereich II für den Bereich steht, in dem der Graphit in dispergierter Form vorliegt. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß die Menge des dispergierten Graphits sich mit der Menge des zugesetzten Additivelements ändert und daß der Graphit in Abhängigkeit von der Teilchengröße des Graphits an die Oberfläche der Schmelze aufschwimmt.
Beispiel 4
In einem Graphittiegel mit einem Innendurchmesser von 90 mm schmilzt man eine Al—Si-Legierung, die 12 Gew.-% Si enthält, und versetzt die Schmelze mit Hilfe einer Phosphorierungsmethode mit 0,1, 0,5,1,0, 2,0, 3,0 bzw. 4,0 Gew.-% Phosphor (P). Dann hält man die Schmelzen bei einer Temperatur von 700° C. Man taucht dann einen Flügelrührer in den Tiegel ein und rührt die Al—Si —P-Legierungsschmelze unter Verwendung dieses Flügelrührers bei 150 min-' zur Erzeugung von Wirbeln in der Schmelze.
Dann versetzt man die Schmelzen mit Graphitteilchen mit einer Teilchengröße von 177—250 μπι (80—60 mesh) in einer Menge von 2 Gew.-%, um die Grenze der Menge der dispergierten Graphitteilchen einer jeden Schmelze zu ermitteln. Mit Hilfe einer ähnlichen Verfahrensweise bei Anwendung einer Al—Si-Legierung, die 20 Gew.-% Si enthält, einer Al —Sn-Legierung, die 5Gew.-% Sn enthält, und einer Al —Cu-Legierung, die 4 G«w.-% Cu enthält, bestimmt man die Grenze der Menge der dispergierten Graphitteilchen. Die hierbei erhaltenen Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle Il zusammengestellt. Aus dieser Tabelle ist zu erkennen, daß die Grenzmenge der dispergierten Graphitteilchen von der Menge des Phosphors jedoch nicht von der Matrix beeinflußt wird.
Tabelle II
Beziehung zwischen der zugegebenen Phosphormenge und der Menge der
dispergierten Graphitteilchen (mit einer Teilchengröße von 177 — 250 μιπ)
Matrix Phosphormenge (Gew.-0/»)
0,1 0,5 1,0 2,0 3,0 4,0
Al - 12Si 3,0 5,0 10,0 20,0 30,0 35,0
Al - 20 Si 3,0 5,0 10,0 20,0 30,0 35,0
Al - 5 Sn 3,0 5,0 10,0 20,0 30,0 35,0
Al - 4 Cu 3,0 5,0 10,0 20,0 30,0 35,0
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
- Leerseite -

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von 2 bis 30 Gew.-% Graphitteilchen enthaltenden Metallegierungen, bei dem die Benetzbarkeit der Graphitteilchen durch Zugabe mindestens eines Zusatzelements zu der Legierungsschmelze vor der Zugabe der Graphitteilchen verbessert und die Schmelze nach dem Dispergieren der Graphitteilchen unter Druck verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Graphitteilchen enthaltendem Aluminium oder Aluminiumlegierungen als Zusatzelement mindestens eines der Elemente Titan, Chrom, Zirkonium, Nickel, Vanadium, Kobalt, Mangan und Niob in einer Menge im Bereich von 1,5 bis 20 Gew.-°/o oder Phosphor in einer Menge von 0,1 bis 4 Gew.-% zugesetzt wird und die
to Schmelze unter einem Druck von 400 bis 1000 bar verfestigt wird.
2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf Legierungen der Basis Aluminium—Zinn, Aluminium—Kupfer, Aluminium —Blei oder Aluminium —Silicium.
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