DE3247535A1

DE3247535A1 - Verschleissfestes verbundmaterial auf aluminiumbasis, zum giessen und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3247535A1
Application number: DE19823247535
Authority: DE
Inventors: Harumichi Hino; Yohsuke Miyashita; Takeshi Yokosuka Miyata; Syunsuke Suzuki
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1981-12-25
Filing date: 1982-12-22
Publication date: 1983-07-14
Also published as: GB2112813A; JPS58110652A; DE3247535C2

Description

Verschleißfestes Verbundmaterial auf Aluminiumbasis /zum Gießen und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft ein neues Verbundmaterial auf Aluminiumbasis zum Gießen mit einer hohen Verschleißfestigkeit/ das beispielsweise für die Herstellung von gleitenden Teilen in Automobilmotoren verwendet werden kann, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben.

Verschleißfeste Materialien werden in großem Umfange für Maschinenteile verwendet, die im Gleitkontakt mit anderen Teilen stehen, wie z.B. Zylinder und Zylinderlaufbüchsen in Brennkraftmaschinen neben verschiedenen Lagern. Als verschleißfeste Materialien für Automobilmotorteile können beispielsweise genannt werden Aluminiumlegierungen mit hohem Siliciumgehalt, Gußeisen und Spritzguß- bzw. Druckguß-Aluminiumlegierungen mit einem überzug aus einem harten Film, der durch eine Oberflächenhärtungsbehandlung, beispielsweise durch Plasmasprühen oder Drahtzerstäubung, erzeugt worden ist.

Die meisten konventionellen verschleißfesten Materialien wei-

TEl.EKON (O MO) 22 28 62

sen jedoch bestimmte Nachteile auf oder bei ihrer praktischen Verwendung treten einige Probleme auf. So sind beispielsweise Aluminiumlegierungen mit hohem Siliciumgehalt unbefriedigend in Bezug auf ihre Fließfähigkeit (Fluiditat) in Gießverfahren und aus Legierungen dieses Typs hergestellte Gießlinge neigen dazu, Gießdefekte, wie z.B. Risse oder einen unzureichenden Fluß des geschmolzenen Metalls je nach Gestalt der Gießlinge aufzuweisen. Die Oberflächenhärtungsüberzüge auf den Oberflächen einer Gußaluminiumlegierung oder von Gußeisen erschweren die Fertigbearbeitung der gebildeten Teile und lösen sich manchmal von dem Basismaterial ab als Folge einer unterschiedlichen Wärmeausdehnungsrate zwischen dem Basismetall und dem harten Überzugsmaterial.

Für die meisten Teile von Brennkraftmaschinen (Innenverbrennungsmotoren) wird in der Regel Gußeisen verwendet, Gußeisen hat jedoch ein verhältnismäßig hohen spezifisches Gewicht und wird daher als primäres Material für Motoren,

2Q die als Triebwerke von Fahrzeugen, wie z.B. Automobilen, dienen, in denen die Verminderung des Gesamtgewichtes zunehmend an Bedeutung gewinnt, immer ungünstiger. Wenn der Zylinderblock eines Automobilmotors durch Vergießen einer Aluminiumlegierung hergestellt wird und eine Zylin-

2J- derlaufbuchse aus Gußeisen in jede Zylinderbohrung des Zylinderblockes dicht eingepaßt wird, wird die unterschiedliche Wärmeausdehnungsrate zwischen der Aluminiumlegierung und dem Gußeisen zur Ursache für eine Diskontinuität der Grenzfläche zwischen dem Zylinderblock und der Zylin-

_o_ derlaufbuchse und führt häufig zum Auftreten einer Blokkierung bzw. eines Festfressens zwischen dem Kolben und der Zylinderlaufbuchse wegen einer unzureichenden Abkühlung der Gleitkontaktoberflächen durch den Zylinderblock,

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein neues 35

Verbundmaterial auf Aluminiumbasis zum Gießen zu schaffen, das ein niedriges spezifisches Gewicht und eine hohe Verschleißfestigkeit und eine hohe Beständigkeit gegen

Festfressen (Blockieren) an Gleitkontaktoberflächen der Gießlinge aufweist. Ziel der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundmaterials auf Aluminiumbasis anzugeben.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein verschleißfestes Verbundmaterial auf Aluminiumbasis zum Gießen (Vergießen), das im wesentlichen besteht aus einer Aluminiumlegierung zum Gießen (Vergießen), die 4 bis 12 Gew.-% IQ Si enthält, und feinen Aluminiumoxidteilchen, die in einer Menge von 0,5 bis 10 Gew.-%, bezogen auf die Aluminiumlegierung, in der Aluminiumlegierung dispergiert sind.

Das'erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des erfinjg dungsgemäßen Verbundmaterials ist dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt das Mischen von 0,5 bis 10 Gew.-Teilen feinen Aluminiumoxidteilchen mit 100 Gew.-Teilen einer Aluminiumlegierung zum (Ver)Gießen, die 4 bis 12 Gew.-% Si enthält, während die Aluminiumlegierung im erhitzten 2Q Zustand gehalten wird, um die Temperatur der Legierung innerhalb eines Bereiches zu halten, in dem die feste Phase und die flüssige Phase der Legierung nebeneinander vorliegen.

_2i- Die Aluminiumlegierung als Basismaterial des erfindungsgemäßen Verbundmaterials kann aus konventionellen Aluminiumlegierungen für Sand-, Metall- oder Schalenform-Gießverfahren und Aluminiumlegierungen zum Spritzgießen (Druckgießen) ausgewählt werden und sie kann geringe Mengen an Hilfslegierungselementen enthalten, wie sie in derartigen Aluminiumlegierungen verwendet werden.

Vorzugsweise liegt der mittlere Teilchendurchmesser der der Aluminiumlegierung zuzusetzenden Aluminiumoxidteilche'n innerhalb des Bereiches von etwa 0,01 bis etwa 10 um, ins-'

besondere von etwa 0,08 bis etwa 10 um.

Nach Beendigung der vorstehend beschriebenen Mischstufe

kann nun die Temperatur des Verbundmaterials sofort auf einen Wert oberhalb des Schmelzpunktes der Aluminiumlegierung erhöht werden, um anschließend das (Ver)Gießen des Verbundmaterials durchzuführen, oder man kann das Verbundmaterial einmal abkühlen und erstarren lassen.

Das erfindungsgemäße Verbundmaterial kann unter Anwendung konventioneller Gießverfahren zu verschiedenartig geformten Teilen geformt werden und die Gießlinge werden einer Wärmebehandlung unterworfen, welche die Wirkung ^O einer künstlichen Alterungshärtung oder Stabilisierung hat.

Das^;erfindungsgemäße Verbundmaterial weist ein geringes spezifisches Gewicht auf, da es aus einer Aluminiumle-5 gierung und einer begrenzten Menge Aluminiumoxid besteht, dieses Verbundmaterial weist jedoch eine weit höhere Verschleißfestigkeit auf als konventionelle Aluminiumlegierungen mit hohem Siliciumgehalt zum Gießen und ist diesbezüglich sogar vergleichbar mit Gußeisen. Dieses

„₀ Verbundmaterial ist daher sehr gut geeignet für die Herstellung von Automobilmotorteilen, die im Gleitkontakt mit anderen Teilen stehen, wie z.B. Zylinderlaufbüchsen. Diese aus diesem Verbundmaterial hergestellten Motorteile weisen ein geringes Gewicht auf und sie besitzen eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und Beständigkeit gegen Festfressen (Blockieren) und arbeiten daher mit geringeren Energieverlusten an den Gleitkontaktoberflächen und weisen eine gute Haltbarkeit auf. Die vorliegende Erfindung trägt damit zur Verminderung des Gesamtgewichtes und zur Verbesserung der Haltbarkeit der Triebwerke von Automobilen und anderen Fahrzeugen bei.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer beispielhaften Apparatur zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbundmaterials auf Aluminiumbasis;

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer Spritzguß- bzw. Druckguß-vorrichtung zum (Ver)Gießen des erfindungsgemäßen Verbundmaterials;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer aus dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial hergestellten Motorzylinderlaufbuchse;

Fig. 4 eine schematische Schnittansicht einer in den IQ nachstehend beschriebenen Beispielen verwendeten

Abriebstestvorrichtung;

Fig. 5 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Aluminiumoxidteilchen-Gehalt des erfindungsgemäßen 5 Verbundmaterials und der in einem erfindungsgemä

ßen Beispiel festgestellten Verschleißfestigkeit des Materials erläutert;

Fig. 6 und 7 Mikrophotographien, welche die Struktur 2Q eines erfindungsgemäßen Verbundmaterials vor

dem Schmelzen des Verbundmaterials und nach dem (Ver)Gießen bzw. Wärmebehandeln zeigen;

Fig. 8 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der „p. mittleren Teilchengröße der Aluminiumoxidteil

chen in dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial und der Verschleißfestigkeit des Materials, wie sie in einem erfindungsgemäßen Beispiel festgestellt wurde, erläutert; und

Fig. 9 ein Diagramm, welches die Ergebnisse eines Abriebstests erläutert, bei dem ein Beispiel für das erfindungsgemäße Verbundmaterial mit konventionellem Graugußeisen und einer Aluminiumlegierung mit hohem Siliciumgehalt verglichen wurde.

Ein Basismaterial für ein erfindungsgemäßes Verbundmaterial auf Aluminiumbasis ist eine Aluminiumlegierung zum

Gießen, die 4 bis 12 Gew.-% Si enthalten muß. Der Si-Gehalt in der Aluminiumlegierung muß mindestens 4 Gew.-% betragen, weil es schwierig ist, eine gute Gießbarkeit des Verbundmaterials zu erzielen bei Verwendung einer Aluminiumlegierung mit einem geringeren Si-Gehalt, der Si-Gehalt in der Aluminiumlegierung darf jedoch 12 % nicht übersteigen, weil die Anwesenheit einer größeren Menge Si es unmöglich macht, eine hypoeutektische Zusammensetzung zu erzielen, die für die vorliegende Erfindung wichtig ist. Wenn die Temperatur einer hypereutektischen Zusammensetzung, die mehr als 12 % Si enthält, innerhalb eines Bereiches gehalten wird, in dem die feste Phase und die flüssige Phase der Aluminiumlegierung nebeneinander vorliegen, tritt eine Auskristallisation von Si in Form von Primärkristallen aus der flüssigen Phase auf und die Siliciumkristalle schwimmen nach oben, da das spezifische Gewicht der Siliciumkristalle (2,4 g/cm ) geringer ist als dasjenige der flüssigen Phase der Legierung (etwa 2,7 g/cm.3) , so daß die Zusammensetzung des Basismaterials für das erfindungsgemäße Verbundmaterial ungleichförmig wird. Darüber hinaus werden das Aufschwimmen und die Trennung der Siliciumkristalle zu einem Hindernis für das gleichmäßige Durchmischen der nachfolgend zugegebenen Aluminiumoxidteilchen mit der Aluminiumlegierung.

Neben Si kann die Aluminiumlegierung gewünschtenfalls noch Hilfslegierungselemente enthalten, die zur Verstärkung der Legierungsstruktur oder zur Stabilisierung der Kristall körnchen dienen, wie z.B. Cu, Mg, Zn, Fe_f Mn_r Ni, Sn und/-₃q oder Sb, in Mengen, wie sie in konventionellen Aluminiumlegierungen zum Gießen üblich sind, oder in etwas größeren oder kleineren Mengen. So ist es beispielsweise möglich, eine geeignete Legierung auszuwählen aus Aluminiumlegierungen für das Sand-, Metall- oder Schalenform-Gießen gemäß JIS (Japanese Industrial Standard) H 5202 (Aluminiumlegierungen der Klasse AC), die bis zu 13 % Si, bis zu 4,5 % Cu, bis zu 1,5 % Mg und geringere Mengen Zn, Fe, Mn, Ti u.d manchmal Ni enthalten können, und aus

Aluminiumlegierungen zum Spritzgießen bzw. Druckgießen gemäß JIS H 5302 (Aluminiumlegierungen der Klasse ADC) , die bis zu 13 % Si, bis zu 4 % Cu und geringere Mengen Mg, Zn, Fe, Mn, Ni und Sn enthalten können.

Der Prozentsatz der erfindungsgemäß verwendeten Aluminiumoxidteilchen ist beschränkt auf einen Wert innerhalb des Bereiches von 0,5 bis 10 Gew.-% der Aluminiumlegierung, weil Verbundmaterialien, die unter Zugabe von weniger als 5 Gew.-% Aluminiumoxidteilchen zu der Aluminiumlegierung hergestellt worden sind, eine unzureichende Beständigkeit gegen Verschleiß und gegen Festfressen (Blokkieren) aufweisen und weil auch Verbundmaterialien, die unter Zugabe von mehr als 10 % Aluminiumoxidteilchen

,p- hergestellt worden sind, eine unzureichende Verschleißfestigkeit aufweisen und so spröde sind, daß Schwierigkei- ■ ten bei der Fertigbearbeitung der Gießlinge. auftreten.

Wie oben angegeben, werden vorzugsweise Aluminiumoxidteilchen mit einer mittleren Teilchengröße innerhalb des Bereiches von etwa 0,01 bis etwa 10 um verwendet. Es ist zweckmäßig, wenn das erfindungsgemäß verwendete teilchenförmige Aluminiumoxid in Form von 0(-Al₂O₃ vorliegt, das hart und stabil ist, wenn jedoch die mittlere Teilchengröße weniger als 0,01 um beträgt, liegt das '

teilchenförmige Aluminiumoxid als γ·-Al-O, vor, das eine geringere Härte aufweist. Diesbezüglich ist es besonders bevorzugt, Aluminiumoxidteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von nicht weniger als etwa 0,08 um zu verwenden. Andererseits führt die Verwendung von Aluminiumoxidteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von mehr als etwa 10 pn zu einer allmählichen Abnahme der Verschleißfestigkeit des Verbundmaterials mit zunehmender mittlerer Teilchengröße und die Verschleißfestigkeit des

Verbundmaterials wird schlecht, wenn die mittlere Teilchen 35

größe der Aluminiumoxidteilchen etwa 15 um erreicht.

Der Grund dafür ist wahrscheinlich der, daß sich große' Aluminiumoxidteilchen leicht von der Gleitkontaktober-

fläche der als Basismaterial verwendeten Aluminiumlegierung abscheiden und auf die Kontaktoberfläche als Schleifmittel wirken.

Die Fig. 1 der beiliegenden Zeichnungen zeigt eine beispielhafte Apparatur zum Mischen von feinen Aluminiumoxidteilchen mit einer Aluminiumlegierung zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbundmaterials auf Aluminiumbasis.. Die Apparatur weist einen zylindrischen Be- -Q halter 10 mit einem abnehmbaren Deckel 12 auf. Im Innern befindet sich eine zylindrische Heizplatte 16, die mit einer elektrischen Heizeinrichtung 18 unter Zwischenschaltung eines Wärmeisoliermaterials 14 zwischen der Heizplatte 16 und der Wand des Behälters 10 versehen ist. Ein Tiegel 24 ist auf der Platte 20 fest angeordnet, die auf

einer Welle 22 befestigt ist, die drehbar ist und in axialer Richtung nach oben und unten bewegt werden kann. Als Rührer für das Material in dem Tiegel 24 ist eine Schaufel 26 an dem unteren Ende einer Welle 28 befestigt,

die sich durch eine Öffnung in dem Deckel 12 hindurch er-20

streckt und drehbar ist und in axialer Richtung nach unten und oben bewegt werden kann. An dem Deckel 12 ist ein Trichter 32 befestigt zur Einführung von Aluminiumoxidteilchen in die Aluminiumlegierung 30, die in dem Tiegel

24 geschmolzen wird. Der Deckel 12 ist mit einem Gas-25

einlaß 34 versehen zur Einführung eines inaktiven Gases, wie Stickstoff oder Argon, in das Innere der Apparatur» In dieser Apparatur wird ein erfindungsgemäßes Verbundmaterial auf Aluminiumbasis wie folgt hergestellt;

Zu Beginn wird die Rührschaufel 26 oberhalb der Posxtxon des Tiegels 24 gehalten, wie durch die gestrichelte Linie in der Fig. 1 angezeigt, und der eine abgemessene Menge einer Aluminiumlegierung zum (Ver)Gießen, die den Anforderungen der vorliegenden Erfindung entspricht, enthaltende Tiegel 24 wird auf die drehbare Platte 20·gestellt. Dann wird Stickstoffgas in die Apparatur eingeleitet, um in der Apparatur während des nachfolgenden Mischverfah-

rens eine inaktive Gasatmosphäre aufrechtzuerhalten. In diesem Zustand wird die Heizeinrichtung 18 eingeschaltet, um die Aluminiumlegierung 30 in dem Tiegel 24 zu erhitzen und zum Schmelzen zu bringen. Der der Heizeinrichtung 18 zugeführte Strom wird so eingestellt, daß die Temperatur der Aluminiumlegierung 30 innerhalb eines Bereiches gehalten wird, in dem die feste Phase und die flüssige Phase der Legierung 30 nebeneinander vorliegen. Dieser Temperaturbereich wird vorher durch thermische Analyse der Aluminiumlegierung festgelegt. Vorzugsweise wird jedoch die Aluminiumlegierung 30 zuerst bis auf eine Temperatur oberhalb-des Schmelzpunktes der Legierung erhitzt, um dadurch die Legierung 30 vollständig zum Schmelzen zu bringen, und dann wird die Temperatur der ._ Legierung 30 auf einen Wert innerhalb des obengenannten Bereiches gesenkt. Die Rührschaufel 26 wird nach unten bewegt, so daß sie in die Aluminiumlegierung 30 eintaucht, während die Legierung im vollständig geschmolzenen Zustand vorliegt. Durch dieses Verfahren kann das

Eintauchen der Rührschaufel 26 in die Legierung 30 glat-20

ter durchgeführt werden mit einem geringeren Widerstand

der Legierung gegenüber der Schaufel als im Falle des Eintauchens der Schaufel 26 in-die Legierung 30, die teilweise in fester Phase vorliegt. Um die Aluminiumlegierung 30 in dem Tiegel 24 in einem gleichmäßig erhitz-25

ten Zustand zu halten, werden die Welle 22, welche die Platte 20 trägt, und die Welle 28 der Rührschaufel 26 kontinuierlich gedreht. Vorzugsweise wird die Rührwelle 28 in entgegengesetzter Richtung zur Drehrichtung der

Trägerplatte 20 gedreht, um ein wirksames Durchrühren 30

unter Scherung der teilweise flüssigen und texlwexse festen Aluminiumlegierung 30 zu erzielen. Bei diesem Rühren nimmt die Aluminiumlegierung 30, die in dem vorstehend beschriebenen erhitzen Zustand gehalten wird, einen pastenförmigen Zustand an.

In diesem Zustand wird eine vorgegebene Menge Aluminiumoxidteilchen unter Verwendung des Trichters 32 in die

Aluminiumlegierung 30 eingeführt und das Rühren wird fortgesetzt, um die Aluminiumoxidteilchen in der teilweise geschmolzenen Aluminiumlegierung 30 gleichmäßig zu dispergieren. In dem Mischvorgang ist es zweckmäßig, daß 5 bis 65 Gew.-% der Aluminiumlegierung 30 in fester Phase vorliegen, weil dann, wenn die feste Phase weniger als 5 % beträgt, die Viskosität der Legierung 30 für eine gleichmäßige Dispersion der Aluminiumoxidteilchen in der Legierung ungünstig niedrig wird, während dann, wenn die' IQ feste Phase mehr als 65 % beträgt, wegen der übermäßig hohen Viskosität der Legierung 30 Schwierigkeiten beim Rühren und damit beim gleichmäßigen Mischen der Aluminiumoxidteilchen mit der Legierung 30 auftreten.

2g Vor dem vorstehend beschriebenen Mischen können die Aluminiumoxidteilchen gegebenenfalls einer Oberflächenbehandlung, beispielsweise einer Plattierung zur Verbesserung der Benetzbarkeit der Aluminiumoxidteilchen mit der Aluminiumlegierung, unterworfen werden.

Nach dem ausreichenden Mischen wird die Rührschaufel 26 nach oben gezogen und das Erhitzen wird beendet, so daß die Mischung aus der Aluminiumlegierung und den Aluminiumoxidteilchen abkühlen und erstarren kann. Als Ergebnis er-„p. hält man einen Block aus einem erf indungs gemäß en Verbundmaterial auf Aluminiumbasis. Wenn es erwünscht ist, das Gießverfahren nach der Herstellung des Verbundmaterials durchzuführen, ist es erlaubt, die Temperatur der nichters tarrten Mischung aus der Aluminiumlegierung und den

Aluminiumoxidteilchen zu erhöhen, um die Aluminiumlegie- «30

rung in der Mischung vollständig zum Schmelzen zu bringen. Das Schmelzen kann in der Mischapparatur gemäß Fig. 1 oder alternativ in einer getrennten Apparatur, die in der Nähe einer Gießvorrichtung angeordnet ist, durchgeführt

werden. Die Senkung der Temperatur der Mischung, sei sie 35

nun beabsichtigt oder nicht, während des Zeitraums zwischen dem Mischen und dem Schmelzen bringt keine Probleme mit sich. Beim Schmelzen vor dem (Ver)Gießen ist es

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in der Regel zweckmäßig, das erfindungsgemäße Verbundmaterial bis auf eine Temperatur zu erhitzen, die um etwa 100 C oberhalb des Schmelzpunktes der verwendeten Aluminiumlegierung liegt, wobei es natürlich möglich ist, die Erhitzungstemperatur zum Schmelzen in Abhängigkeit von dem Typ des angewendeten Gießverfahrens und den angewendeten Gießbedingungen in geeigneter Weise festzulegen.

IQ In dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial bleiben die Aluminiumoxidteilchen auch nach dem vollständigen Schmelzen der Aluminiumlegierung in der Aluminiumlegierung gleichmäßig dispergiert, unabhängig davon, ob das Verbundmaterial vorher erstarren gelassen worden ist oder'

I^ nicht. Dies ist ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verbundmaterials. Es wurden viele Versuche durchgeführt, bei denen verschiedene Arten von Keramiken in Form von feinen Teilchen unter Anwendung des vorstehend beschriebenen Mischverfahrens in einer Aluminiumlegierung .gleichmäßig dispergiert wurden, und es wurde dabei festgestellt, daß ein vollständiges Schmelzen der Aluminiumlegierung nach dem Mischen mit den Keramikteilchen zu einer Agglomeration, Sedimentation oder zum Aufschwimmen eines beträchtlichen Teils der dispergierten Keramikteil-

_oc chen führt, außer wenn es sich bei den Keramikteilchen um solche aus Aluminiumoxid handelt. Wenn man berücksichtigt, daß das echte spezifische Gewicht von ^ -Al₉O.,

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3,9 g/cm beträgt, während das spezifische Gewicht der erfindungsgemäß verwendeten Aluminiumlegierungen etwa 2,7

g/cm beträgt, ist es sicher, daß das Fortbestehen der 30

gleichmäßigen Dispersion der Aluminiumoxidteilchen in einer geschmolzenen Aluminiumlegierung nicht nur auf die Werte des spezifischen Gewichtes, sondern auch auf einige andere Faktoren zurückzuführen ist, zu denen wahrscheinlich die Oberflächenenergie der Aluminiumoxidteilchen gehört.

Zum (Ver)Gießen eines erfindungsgemäßen Verbundmaterials

auf Äluininiumbasis können konventionelle Gießverfahren für Aluminiumlegierungen angewendet werden. Das Spritzgießen bzw. Druckgießen des erfindungsgemäßen Verbund-· materials unter dem Einfluß der Schwerkraft bringt jedoch manchmal Schwierigkeiten mit sich und liefert keine guten Gießlinge/ weil das geschmolzene Metall dieses Verbundmaterials eine höhere Viskosität hat als konventionelle Aluminiumlegierungen zum Gießen wegen des Vorliegens von Aluminiumoxidteilchen, die in der geschmol- ^q zenen Aluminiumlegierung dispergiert sind. Es ist daher bevorzugt,, ein Druckgießverfahren„ ein Zentrifugalgießverfahren oder ein Vakuumgießverfahren zum (Ver)Gießen eines erfindungsgemäßen Verbundmaterials anzuwenden.

jg Die Fig. 2 der beiliegenden Zeichnungen zeigt ein Beispiel für einen Hauptteil einer zum (Ver)Gießen des erfindungsgemäßen Verbundmaterials geeigneten Druckgießvorrichtung. Die Druckgießvorrichtung weist eine Kombination aus einer beweglichen Metallgießform 40 und einer stationären Metallgießform 42 auf_r die so geformt sind, daß ein Formhohlraum 44 entsteht. In dem dargestellten Falle hat der Formhohlraum 44 eine Gestalt, die einer Motor-Zylinderlaufbuchse 60 entspricht, wie sie in Fig. dargestellt ist, in Form eines Hohlzylinders, der an

__ einem Ende mit einem Flansch versehen ist und sich etwas /i b

verjüngt, um die Trennung des Gießlings von den Metallformen zu erleichtern.

Nach dem Verschließen und Einspannen der Metallformen

40, 42 wird die erforderliche Menge geschmolzenes Metall, 30

die durch vollständiges Schmelzen der Aluminiumlegierung in dem erfindungsgemäßen Material hergestellt worden ist_f aus einem Gießtrichter 50 in eine Einspritzhülse 48 gegossen und ein Kolben 42 für die Injektion wird in der Einspritzhülse 48 nach vorne bewegt, um das geschmolzene Metall in der Hülse 4 8 unter Druck zu setzen und das unter Druck stehende geschmolzene Metall durch einen . Kanal 4 6 in den Formhohlraum 44 einzuspritzen. Nach dem Erstarren des Verbundmaterials auf Aluminiumbasis in

dem Formhohlraum 44 wird der Forms atz durcr* Zurückziehen der beweglichen Metallform 40 geöffnet und danji wird der zylindrische Gießling durch Vorwärtsbewegen der Ejektionsstifte 54 von der Metallform getrennt. 5

Die beim (Ver)Qießen eines erfindungsgemäßen Verbundma*- terials auf Aluminiumbasis erhaltenen.Gießlinge werden einer geeigneten Wärmebehandlung unterzogen. In der Regel müssen die Gießlinge einer stabilisierenden Glijhung unterworfen werden, um Dimensionsänderungen der GießiiKge/mit dem Ablauf der Zeit zu verhindern, So ist beispielsweise eine stabilisierende Glühung unerläßlich bei Zylinderlaufbüchsen, die durch. (Ver)Gießen des erfindungsgemäßen Ver- * bundmaterials auf Aluminiumbasis hergestellt worden sind, "L § weil dann, wenn die Zylinder lauf büchsen, die einer maschinellen Fertigbearbeitung mit sehr engen Dimensionstoleranzen unterworfen werden, nicht in geeigneter Weise geglüht worden sind, sich unter dem Einfluß der sehr strengen thermischen Umgebung in den Brennkraftmaschinen mög-2Q licherweise verformen, was zu einer Erweiterung des Spielraumes zwischen der Zylinderlaufbuchse und dem darin gleitenden Kolben führt. Neben der stabilisierenden Glühung müssen die Gießlinge in vielen Fällen einer bestimmten Wärmebehandlung unterworfen werden, die den Gießlingen „,- die erforderliche Festigkeit verleiht. Die Wärmebehandlung zur Verbesserung der Festigkeit und anderer mechanischer Eigenschaften der Gießlinge wird beispielsweise in der Art der T5-, T6- oder T7-Wärmebehandlung für konventionelle Aluminiumlegierungen durchgeführt, um dadurch eine künstli_o ehe Alterungshärtung der Gießlinge zu erzielen.

Nach der Wärmebehandlung und wo erforderlich, werden die Gießlinge einer (maschinellen) Bearbeitung zum Zwecke der Oberflächenbehandlung (Fertigbearbeitung) unterworfen.

So muß beispielsweise der in der Spritzgußvorrichtung ge-35

maß Fig. 2 geformte zylindrische Gießling zur Herstellung der Zylinderlaufbuchse gemäß Fig. 3 einem Drehen oder Honen unterworfen werden, um die äußeren und inneren zylind-

rischen Oberflächen fertig-zu-bearbeiten, um so die auf die Schräge des Formhohlraums 44 zurückzuführende Verjüngung zu korrigieren. Wenn das Verbundmaterial der Gießlinge eine übermäßig große Menge Aluminiumoxidteilchen enthält, führt die (maschinelle) Fertigbearbeitung der Gießlinge zur Oberflächenbehandlung zu winzigen Rissen in den Gießlingen oder es tritt ein schneller Verschleiß der Fertigbearbeitungswerkzeuge auf. Es wurde jedoch experimentell bestätigt, daß diese Probleme oder Störungen bei der praktischen Fertigbearbeitung der Gießlinge nur dann auftreten, wenn, die Aluminiumoxidteilchen in dem Verbundmaterial mehr als 11 Gew.-% der Aluminiumlegierung, die als Basismetall für das Verbundmaterial verwendet wird, ausmachen.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.

Beispiel 1

Bei der in diesem Beispiel zum Gießen verwendeten Aluminiumlegierung handelte es sich um die Legierung ADC 12 gemäß JIS H 5302, ein Äquivalent der Aluminiumlegierung ASTM SC 114A, die 11,8 Gew.-% Si und etwa 2,5 % Cu enthielt. Das in diesem Beispiel verwendete teilchenförmige Aluminiumoxid hatte eine mittlere Teilchengröße von 0,08 μια und der ■ Gew.-%-Satz der Aluminiumoxidteilchen, bezogen auf die Aluminiumlegierung, wurde über den Bereich von 0,5 bis 10,0 % variiert, so daß man 11 Arten von Verbundlegierungen erhielt, die sich nur in ihrem Gehalt an Aluminiumoxidteilchen voneinander unterschieden.

Jede der Verbundlegierungen wurde hergestellt durch Zugabe der angegebenen Menge A3.uminiumoxidteilchen zu der Aluminiumlegierung unter Rühren, während die Aluminiumlegierung bei 75°C gehalten wurde, bei der die feste Phase und die flüssige Phase der Legierung nebeneinander vorlagen, und die iⁿ einem pastenartigen Zustand vorlag, unter fortgesetztem Rühren, um die Aluminiumoxidteilchen in der Aluminiumlegierung gleichmäßig zu dispergieren. Nach dem ausreichenden Durchmischen wurde die erhitzte Mischung aus der Aluminiumlegierung und den Aluminiumoxidteilchen in zwei portionen aufgeteilt. Die erste Portion der Mischung wurde abkühlen und erstarren gelassen und dann auf 686⁰C, d. h. auf eine Temperatur erhitzt, die höher war als der Schmelzpunkt (586⁰C) der Aluminiumlegierung ADC 12, wobei sie geschmolzen wurde, während die zweite Portion sofort nach Beendigung des Mischens der Aluminiumoxidteilchen mit der Aluminiumlegierung auf 686°C erhitzt wurde. Unter Verwendung einer Spritzgußvorrichtung (Kokillengußvorrichtung) des in der Fig. 2 der beiliegenden Zeichnungen gezeigten Typs wurde jede der so hergestellten beiden Chargen des geschmolzenen Metalls zu einem zylindrischen Körper gegossen. Die Gießbedingungen waren folgende:

Spritzdruck 500 kg/cm

Spritzgeschwindigkeit 1,2 m/sec

Metalldüsentemperatur ' 200-250⁰C Gießtemperatur 685⁰C

Formeinspannzeit 12 see

Die in diesem Beispiel gegossenen zylindrischen Körper wurden einem stabilisierenden Glühen unterworfen,.das bestand aus einem 3-stüridigem Erhitzen auf 240°C und einem anschließenden Abkühlen im Ofen. Danach wurden Teststücke zur Durchführung des Abriebtestes aus jedem der Gießkörper ausgeschnitten. Die Teststücke hatten, die Form eines 5 mmx 5 mm breiten und 10 mm langen quadratischen Prismas.

Die Fig. 4 der beiliegenden Zeichnungen zeigt eine Abriebstestvorrichtung , wie sie in diesem Beispiel verwendet wurde. Diese Abriebstestvorrichtung war eine solche vom Stift- und -Scheibentyp, wie er häufig zum Testen von Legierungen für Automobilmotorteile, wie z. B. Zylinderlaufbüchsen und Kolbenringe, verwendet wird. Vier identische Teststücke 70 wurden fest in einen scheibenförmigen Halter 72 eingesetzt,, der auf einer drehbaren Platte 74 fest montiert war. Eine Metallscheibe 76, die eine Hartchromplattierung aufwies und an einem Halter 78 befestigt war, wurde gegen die Stirnflächen (Endflächen) der Teststücke 70 gepreßt durch Aufbringen einer Belastung auf einen. Kompressionsstab 80. Die Ziffer 82 zeigte einen hohlen oder öldurchgang, durch welchen Schmieröl den Kontaktoberflächen der Metallscheibe 76 und der Teststücke 70 zugeführt wurde. Die Platte 74 wurde so gedreht, daß die Geschwindigkeit der Gleitbewegung jedes Teststückes 70 über die Stirnfläche der Metallscheibe 76 in einem Falle 3 m/sec, jedoch im anderen Falle 8 m/sec betrug, und in jedem Falle wurde die Drehung fortgesetzt, bis die von jedem Teststück 70 zurückgelegte Gesamtgleitdistanz 100 km erreichte. Der Druck an·den Kontaktoberflächen wurde bei 50 kg/cm gehalten und als Schmieröl wurde den Kontaktoberflächen auf 8O⁰C erhitz-

t.es Motoröl Nr. 30 mit einer Geschwindigkeit (Rate) von 350 - 400 ml/min zugeführt.

Zum Vergleich wurden 6 Arten von Verbundlegierungen auf allgemein ähnliche Weise wie die Verbundlegierungen dieses Beispiels hergestellt, wobei diesmal jedoch der Prozentsatz der Äluminiumoxidteilchen, bezogen auf die Aluminium-• legierung ADC 12,11 %, 12%, 13%, 14%, 15% bzw. 16% betrug. Diese modifiziertön Verbundlegierungen wurden einzeln vergössen und auf die vorstehend beschriebene Weise einer stabilisierenden Glühung unterworfen und aus den Gießkörpern ausgeschnittene Teststücke wurden dem vorstehend beschriebenen Abriebstest unterworfen. Daneben wurde die Aluminiumlegierung ADC 12 selbst dem gleichen Test unterworfen.

Die Fig. 5 der beiliegenden Zeichnungen zeigte Ergebnisse des Abriebstest für die Verbundmaterialien des Beispiels 1 und die zu Vergleichszwecken zusätzlich hergestellten Materialien.
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Der Test der Aluminiumlegierung ADC 12 ohne Zugabe von Aluminiumoxidteilchen bei einer Gleitgeschwindigkeit von 3 m/sec führte zum Auftreten einer Blockierung (eines Festfressens) zwischen den Teststücken 70 und der mit Chrom plattierten Scheibe 76 während der Anfangsstufe des Tests, bevor der Druck an den Kontaktoberflächen bis auf den

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vorgesehen Wert von 50 kg/cm angestiegen war, und die gleiche Legierung unterlag beim Test mit der Gleitgeschwindigkeit von 8 m/sec einem starken Verschleiß (Abrieb). Im Gegensatz dazu wiesen die durch Zugabe von 0,5 11 % Aluminiumoxidteilchen zu der Aluminiumlegierung hergestellten Verbundmaterialen eine ausgezeichnete Abriebsbeständigkeit (Verschleißfestigkeit) auf. Die Zugabe von noch größeren Mengen Aluminiumoxidteilchen führte jedoch zu einer Abnahme der Abriebsbeständigkeit (Verschleißfestigkeit) bis zu einem solchen Ausmaß, daß der Abrieb (Verschleiß) des durch Zugabe von 16 % Aluminiumoxidteil-

chen hergestellten Verbundmaterials fast gleich demjenigen der Aluminiumlegierung ADC 12 wurde. Wenn 20 % Aluminiumoxidteilchen der Aluminiumlegierung zugesetzt wurden, um diese Tendenz zu bestätigen, erreichte der Abrieb (Verschleiß) etwa 150 pm.

Ebenfalls zum Vergleich wurde ein gewöhnliches Graugußeisen (FC 25 nach JIS G 5501) dem gleichen Abriebstest unter den gleichen Testbedingungen unterworfen. Die Menge des Abriebs (Verschleißes) des Gußeisens betrug 8 μπι beim Test mit einer Gleitgeschwindigkeit von 3 m/see,und sie betrug 15 μΐη bei 8 m/sec. Die Verbundmaterialien auf Aluminiumbasis des Beispiels 1 können daher als mit Graugußeisen in Bezug auf die Abriebsbeständigkeit (Verschleißfestigkeit) vergleichbar angesehen werden. Natürlich bieten diese Verbundmaterialen einen wichtigen Vorteil insofern, als sie ein sehr viel niedrigeres spezifisches Gewicht haben. In dem Abriebs test wurde kein signifikanter Unterschied zwischen den ■ durch einmaliges Erstarrenlassen der Mischung aus der AIuminiumlegierung und den Aluminiumoxidteilchen hergestellten groben und den durch sofortiges Erhöhen der Temperatur der Mischung über den Schmelzpunkt der Legierung hinaus hergestellten Proben festgestellt.

Beispiel 2

Bei der in diesem Beispiel zum Gießen verwendeten Aluminiumlegierung handelte es sich um die Legierung AC 83 nach'JIS H 5202, die 9,45 Gew.-% Si, etwa 3 % Cu und etwa 1 % Mg enthielt. In diesem Beispiel wurden unter Verwendung verschiedener Mengen von Aluminiumoxidteilchen, die in Bezug auf ihre mittlere Teilchengröße voneinander verschieden waren, mehrere Chargen einer Verbundlegierung hergestellt. Der Prozentsatz der Aluminiumoxidteilchen, bezogen auf die Aluminiumlegierung, betrug stets 5 Gew.-%. Bei der Herstellung jeder Charge der Verbundlegierung erfolgte die Zugabe

der Aluminiumoxidteilchen zu der Aluminiumlegierung AC 8B auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1, während die Aluminiumlegierung bei 560°C gehalten wurde, bei der die feste Phase und die flüssige Phase der Legierung nebeneinander vorlagen. Nach dem Mischen wurde eine Hälfte jeder Charge abkühlen und erstarren gelassen und dann auf 685⁰C erhitzt, eine Temperatur, die höher war als der Schmelzpunkt (585⁰C) der Aluminiumlegierung AC 8B, um geschmolzen zu werden, während der restliche Anteil sofort nach Beendigung des Mischens auf-685°C erhitzt wurde.

Die Fig. 6 der beiliegenden Zeichnungen zeigt eine Mikrophotographie (in 200-facher Vergrößerung) der Struktur der in diesem Beispiel unter Verwendung von Aluminiumoxidteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 0,1 μΐη hergestellten Verbundlegierung. In der Photographie werden die weißen Flächen durch die primären Kristalle von e< -Al gebildet, die grauen Flächen werden durch Si gebildet, das durch eutektische Reaktion kristallisiert ist, und die schwarzen Punkte werden durch Al₂O^ gebildet. Wie diese Mikrophotographie zeigt, wurde eine gleichmäßige Dispersion der zugegebenen Aluminiumoxidteilchen in der resultierenden Verbundlegierung durch mikroskopische Betrachtung jeder in diesem Beispiel hergestellten Probe bestätigt.

Unter Verwendung der in Beispiel 1 beschriebenen Spritz- ■ gießvorrichtung wurde jede der so hergestellten Proben aus dem geschmolzenen Metall unter den gleichen Gießbedingungen wie in Beispiel 1 zu einem zylindrischen Körper gegossen. Die in diesem Beispiel gegossenen zylindrischen Körper wurden einer Wärmebehandlung unterworfen, die der T6-Wärmebehandlung entsprach und eine Kombination aus einer anfänglichen Erhitzung für 2 Stunden auf 520⁰C als Lösungsglühbehandlung und einer anschließenden Temperung, durchgeführt durch Halten der Gießkörper 4 Stunden lang bei 180⁰C, darstellte. Danach wurden 5 mm χ 5mm breite und 10 mm lange Teststücke zur Durchführung eines Abriebstests

aus jedem der Gießkörper ausgeschnitten und dem in Beispiel 1 beschriebenen Abriebstest unter den gleichen Testbedingungen unterworfen.

Die Fig. 7 der beiliegenden Zeichnungen zeigt eine Mikrophotographie (in 200-facher Vergrößerung) der Struktur des in diesem Beispiel unter Verwendung von Aluminiumoxidteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 0/1 μκι hergestellen Verbundmaterials, die nach den vorstehend beschrie benen Gieß- und Wärmebehandlungsverfahren beobachtet wurde. In der Phctographie werden die weißen Flächen von einer fei nen Dendritstruktur der primären Kristalle von Qi -Al gebildet, die grauen Flächen werden von Si gebildet, das durch eutektische Reaktion kristallisiert ist, und die schwarzen Flecken werden von Al-Op gebildet. Es ist klar, daß die Aluminiumoxidteilchen in der Aluminiumlegierung gleichmäßig dispergiert waren, deren Struktur unter dem Einfluß des Schmelzens nach der Zugabe der Aluminiumoxidteilchen und des schnellen Abkühlens in dem Spritzgießverfahren sehr fein wurde. Durch Vergleich mit der Mikrophotographie der Fig. 6 wurde bestätigt, daß das Erhitzen der Aluminiumlegierung auf einen Wert über ihren Schmelzpunkt hinaus nach der Zugabe von Aluminiumoxidteilchen beim Spritzgießen der geschmolzenen Legierung und bei der Wärmebehandlung des Gießlings praktisch kein Unterschied

in Bezug auf die Art der Dispersion der Aluminiumoxidteilchen in der Aluminiumlegierung auftrat, obgleich die Legierungsmatrix wegen ihrer thermischen Behandlung einige Änderungen erfuhr.
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Die Fig. 8 der beiliegenden Zeichnungen zeigt Ergebnisse des Abriebstests, der mit den in Beispiel 2 hergestellten Proben durchgeführt wurde.

Wenn Aluminiumoxidteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als 0,01 μην verwendet wurden, war es, obgleich dies in Fig. 8 nicht dargestellt ist, schwierig,

eine gleichmäßige Dispersion der Aluminiumoxidteilchen in der Aluminiumlegierung zu erzielen wegen der Neigung der Aluminiumoxidteilchen, zu agglomerieren (wahrscheinlich deshalb, weil Aluminiumoxid in Form dieser feinen Teilchen in der Regel als Y- -Al-O., vorliegt, das ein echtes spezifisches Gewicht von bis zu 2,28 aufweist) und es trat ein Blockieren (Festfressen) zwischen.den Teststücken 70 und der mit Chrom plattierten Scheibe 76 während der Anfangsstufe des Tests in beiden Fällen des Tests bei Gleitgeschwindigkeiten von 3 m/sec bzw. 8 m/sec auf. Dieses Blockieren (Festfressen) trat nicht auf und es wurde eine Verbesserung der Abriebsbeständigkeit (Verschleißfestigkeit) festgestellt, wenn die mittlere Teilchengröße der der Aluminiumlegierung zugesetzten Aluminiumoxidteilchen 0,01 μπι oder mehr betrug. Wie aus der Fig. 8 ersichtlich, war die Menge des Abriebs (Verschleißes) sehr gering, wenn die mittlere Teilchengröße der der Aluminiumlegierung zugesetzten Aluminiumoxidteilchen zwischen 0,08 und 10 μπι lag. Die Menge des Abriebs (Verschleißes) nahm jedoch beträchtlieh zu, wenn die mittlere Teilchengröße der Aluminiumoxidteilchen auf mehr als 10 um erhöht wurde. Bei Verwendung von Aluminiumoxidteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 20 μπι betrug die Menge des Abriebs (Verschleißes) dös resultierenden Verbundmaterials 150 um im Falle des Tests bei der Gleitgeschwindigkeit von 3 m/sec, und sie betrüg 120 um bei 8 m/sec.

In dem Abriebstest wurde kein signifikanter Unterschied zwischen den Proben, die durch einmaliges Erstarrenlassen der Mischung aus der Aluminiumlegierung und den zugesetzten Aluminiumoxidteilchen hergestellt worden waren, und den Proben, die durch sofortige Erhöhung der Temperatur der Mischung auf einen Wert über den Schmelzpunkt der Legierung hinaus hergestellt worden waren, beobachtet.

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Beispiel 3

Die zum Gießen in diesem Beispiel verwendete Aluminiumlegierung war die Legierung AC 4C nach JIS H 5202, die 7,10 Gew.-% Si, etwa 0,1 % Cu und etwa 0,3 % Mg enthielt. Es wurde eine Verbundlegierung hergestellt durch Mischen von Aluminiumoxidteilchen, die eine mittlere Teilchengröße von 5 μπι hatten, in einer Menge von 5 Gew.-%, bezogen auf die Aluminiumlegierung, mit der Aluminiumlegierung nach dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren. Während des Mischens wurde die Aluminiumlegierung bei 59 0⁰C gehalten, bei der die feste Phase und die flüssige Phase der Legierung nebeneinander vorlagen. Die Verbundlegierung wurde geschmolzen und in dem in Beispiel 1 beschriebenen Spritzgießverfahren verwendet zur Herstellung eines zylindrischen Gießlings, welcher der in Beispiel 2 beschriebenen T6-Wärmebehandlung unterworfen und dann einer maschinellen Fertigbearbeitung unterworfen wurde zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse. Aus dem Gießling wurden nach Durchführung der Wärmebehandlung Teststücke ausgeschnitten, die dem in Beispiel 1 beschriebenen Abriebstest unterworfen wurden. In diesem Falle wurde der Test mit 3 verschiedenen Gleitgeschwindigkeiten bei 3 m/sec, 5 m/sec und 8 m/sec durchgeführt. Zum Ver-' gleich wurden ein gewöhnliches Graugußeisen (FC 25) und eine Aluminiumlegierung mit hohem Si-Gehalt (A 390), die 18 Gew.-% Si enthielt, unter den gleichen Testbedingungen getestet.

Wie aus der Fig. 9 der beiliegenden Zeichnungen ersichtlieh, war das in Beispiel 3 hergestellte Verbundmaterial auf Aluminiumbasis in Bezug auf seine Abriebsbeständigkeit (Verschleißfestigkeit) der Aluminiumlegierung mit hohem Si-Gehalt deutlich überlegen und sogar besser als das Graugußeisen. Natürlich wies dieses Verbundmaterial ein weit niedrigeres spezifisches Gewicht auf als das Gußeisen.

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Beispiel 4

In generell ähnlicher Weise wie in Beispiel 3 wurden 5 Arten von Verbundlegi^runopn auf Aluminiumbasis hergestellt unter Verwendung von 5 verschiedenen Arten von Aluminiumlegierungen zum Gießen, nämlich von ADC 12 (wie in Beispiel 1 verwendet), von ADC 10 (die etwa 9 Gew.-% Si und . etwa 3 Gew.-% Cu enthielt), von AC 8B (wie in Beispiel 2 verwendet), von AC 4C (wie in Beispiel 3 verwendet) und von AC 2A (die etwa 4,5 Gew.-% Si und etwa 4 Gew.-% Cu enthielt). Für jede Aluminiumlegierung betrug der Prozentsatz der zugegebenen Aluminiumoxidteilchen (mit einer mittleren Teilchengröße von 5 μΐη) 5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Legierung. Während des Mischens mit den Aluminiumoxidteilchen wurden die Aluminiumlegierungen ADC 12 und ADC 10 beide bei 575°C gehalten, während die Aluminiumlegierungen AC 8B, AC 4C und AC 2A bei 560⁰C, 59O⁰C bzw. 600⁰C gehalten wurden, um das gleichzeitige Vorliegen der festen Phase und der flüssigen Phase jeder Aluminiumlegierung sicherzustellen.

Jede dieser Verbundlegierungen wurde geschmolzen und in dem in Beispiel 3 beschriebenen Spritzgießverfahren verwendet zur Herstellung eines zylindrischen Gießlings, der der in Beispiel 3 beschriebenen Wärmebehandlung und danach einer Fertigbearbeitung unterworfen wurde zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse.

Aus jedem Gießling wurden nach der Wärmebehandlung Teststücke ausgeschnitten und diese wurden dem in. Beispiel 1 beschriebenen Abriebstest unterworfen. Bei jedem Test betrug die Gleitgeschwindigkeit konstant 8 m/sec und. der Druck an den Kontaktoberflächen wurde allmählich erhöht, um den kritischen Kontaktdruck festzustellen, bei dem eine scharfe Änderung des Drehmoments der Welle, auf der die sich drehende Platte 74 befestigt war, auftrat.

Die scharfe Änderung des Drehmoments wurde dem Auftreten einer Blockierung (eines Festfressens) zwischen den Teststücken 70 und der gegenüberliegenden Scheibe 76 zugeschrieben, so daß der kritische Kontaktdruck als Blockierungs- bzw. Festfreßbelastung bezeichnet werden kann. Zum Vergleich wurden graues Gußeisen FC 25, eine Aluminiumlegierung mit hohem Si-Gehalt zum Gießen A 390 und eine Aluminiumlegierung zum Gießen AC 8B (ohne Zugabe von Aluminiumoxidteilchen) dem gleichen Abriebstest unterworfen. Die Testergebnisse sind in der folgenden Tabelle angegeben.

Tabelle

Basismaterial	Al „0., -Teilchen (Gew.-%)	Festfreßbe lastung (kg/cm²)
ADC 12	5	250
ADC 10	5	190
AC 8B	5	230
AC 4C	5	180
AC 2A	5	170
FC 25	—	170
A 390	-.	80
AC 8B	-	100

Die Testergebnisse der vorstehenden Tabelle zeigen, daß die erfindungsgemäßen Verbundmaterialien auf Aluminiumbasis den konventionellen Aluminiumlegierungen zum Gießen weit überlegen sind und daß sie sogar besser sind als Graugußeisen

in Bezug auf die Beständigkeit gegen Festfressen (Blockie-30

ren) und daß diese Verbundmaterialien sehr gut geeignet sind für.die Herstellung von Zylinderlaufbüchsen mit geringem Gewicht für Automobilmotoren.

Beispiel 5 ■

Unter Verwendung der Aluminiumlegierung zum Gießen ADC 12 wurde eine Verbundlegierung auf Aluminiumbasis hergestellt

durch Zugabe von Aluminiumoxidteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,2 μπι in einer Menge von 5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Aluminiumlegierung, zu der Aluminiumlegierung, die bis zur Beendigung des gründlichen Durchmischens bei 575⁰C gehalten wurde, um das gleichzeitige Vorliegen der festen Phase und der flüssigen Phase der Legierung sicherzustellen. Die Verbundlegierung wurde auf 680⁰C erhitzt zur Herstellung von geschmolzenem Metall, das Aluminiumoxidteilchen enthielt, das in dem in Beispiel 1 beschriebenen Spritzgießverfahren verwendet wurde zur Herstellung eines zylindrischen Cießlings. Nach der Wärmebehandlung wurde der Gießling fertigbearbeitet zu einer Zylinderlaufbuchse mit einem äußeren Durchmesser von 86 mm, einem inneren Durchmesser von 80 mm und einer Höhe von 136,5 mm.

Eine Vielzahl von auf diese Weise hergestellten Zylinderlaufbuchsen wurde in einen Zylinderblock eines Automobilmotors eingepaßt unter Verwendung von Kolbenringen aus Graugußeisen (FC 25) und mit Chrom plattiert. Der unter Verwendung dieses Zylinderblocks zusammengebaute Motor wurde einem Haltbarkeitstest (Dauertest) unterzogen, der als Prüfstandtest durchgeführt wurde. Der Haltbarkeitstest wurde 5 Stunden lang mit einer Motorgeschwindigkeit entsprechend einer Wagengeschwindigkeit von 100 km/h durchgeführt. Der getestete Motor wurde zerlegt, um den Grad des Abriebs (Verschleißes) sowohl der Oberflächen der Zylinderlaufbuchse als auch der Kolbenringe zu bestimmen. Die Menge des Abriebs (Verschleißes) der Zylinderlaufbuchse betrug durchschnittlich 8 μΐη und die Menge des Abriebs (Verschleißes) der Kolbenringe betrug durchschnittlich 5 μΐη. Diese Werte können als Hinweis für sehr geringe Mengen Abrieb (Verschleiß) angesehen werden und sie bestätigen, daß Zylinderlaufbüchsen aus einem erfindungsgemäßen Verbundmaterial auf Aluminiumbasis in auf dem Markt befindlichen Automobilen in der Praxis mit Erfolg verwendet werden können.

Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf spezifische bevorzugte Ausführungsformen näher erläutert, es ist jedoch für den Fachmann selbstverständlich, daß sie darauf keineswegs beschränkt ist, sondern daß diese in vielfacher Hinsicht abgeändert und modifiziert werden können, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verschleißfestes Verbundmaterial auf Aluminiumbasis zum Gießen, dadurch gekennzeichnet , daß es im wesentlichen besteht aus einer Aluminiumlegierung zum Gießen, die 4-12 Gew.-% Si enthält, und feinen Aluminiumoxidteilchen, die in einer Menge von 0,5 - 10 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Aluminiumlegierung, in der Aluminiumlegierung dispergiert sind.

2. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumoxidteilchen eine mittlere Teilchengröße von etwa 0,01 bis etwa 10 um aufweisen.

3. Verbundmaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumoxidteilchen eine mittlere Teilchengröße von nicht weniger als 0,08 jam aufweisen,

4. Verbundmaterial nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung bis zu 4,5 Gew.-% Cu enthält.

5. Verbundmaterial nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung bis zu 1,5 Gew.-% Mg ent-

hält. -

6. Verfahren zur Herstellung eines verschleißfesten Verbundmaterials auf Aluminiumbasis zum Vergießen, insbesondere eines solchen nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgende Stufe umfaßt: Mischen von 0,5 - 10 Gew.-Teilen feinen Aluminiumoxidteilchen mit 100 Gew.-Teilen einer Aluminiumlegierung zum Gies-' sen, die 4-12 Gew.-% Si enthält, während die Alumiriium¹-legierung in erhitztem Zustand gehalten wird, um ihre Temperatur innerhalb eines Bereiches zu halten, in dem die feste Phase und die flüssige Phase der Aluminiumlegierung', nebeneinander vorliegen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß Aluminiumoxidteilchen mit einer mittleren Teilchen- '.. größe von etwa 0,01 bis etwa 10 μΐΐι verwendet werden. . "

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminiumoxidteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von nicht weniger als 0,08 μπι verwendet werden,

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8/ dadurch gekennzeichnet, daß eine Aluminiumlegierung verwendet wird, die bis zu 4,5 Gew.-% Cu enthalt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aluminiumlegierung verwendet wird, die bis zu * 1,5 Gew.-% Mg enthält. ^{: :}

11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis ; ^O -jo, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Aluminiumlegierung beim Mischen so eingestellt wird, daß 5 - 65 Gew.-% der Aluminiumlegierung in fester Phase vorliegen.

12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung vor Durchführung des Mischens vollständig geschmolzen

Z- und daß die Temperatur der geschmolzenen Legierung vor Durchführung des Mischens auf eine Temperatur innerhalb dieses Bereiches gesenkt wird.

13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung aus der Aluminiumlegierung und den Aluminiumoxidteilchen auf eine Temperatur erhitzt wird, die oberhalb des Schmelzpunktes der Aluminiumlegierung liegt, um dadurch die Aluminiumlegierung in dem Gemisch vollständig zu schmelzen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in der Erhitzungsstufe um etwa 100⁰C über dem Schmelzpunkt liegt.

15. Verfahren nach Anspruch 13 und/oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung aus der Aluminiumlegierung und den Aluminiumoxidteilchen vor Durchführung der Erhitzung erstarren gelassen wird.