DE3614475C2

DE3614475C2 -

Info

Publication number: DE3614475C2
Application number: DE3614475A
Authority: DE
Inventors: Koji Yagii; Jun Miyata; Shunzo Hiroshima Jp Takasuga
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1985-04-30
Filing date: 1986-04-29
Publication date: 1989-05-11
Also published as: JPS61249689A; US4695699A; DE3614475A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils mit erhöhter Verschleißfestigkeit.

In den letzten Jahren sind Aluminiumlegierungen in zunehmendem Maße für mechanische Bauteile, z. B. Zylinderköpfe von Kolben-Verbrennungsmaschinen, zum Zweck der Gewichtsverminderung eingesetzt worden. Bei aus einer Aluminiumlegierung bestehenden mechanischen Bauteilen ist es häufig erforderlich, speziellen Partien des Bauteils eine bestimmte gewünschte Sollfunktion zuzuweisen, um beispielsweise die Verschleißfestigkeit oder die Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärmespannungen zu verbessern. Um diesem Erfordernis Rechnung zu tragen, ging die Praxis dahin, eine bestimmte Oberfläche eines aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Grundmaterials mit einem der gewünschten Sollfunktion entsprechenden Metall zu beschichten, beispielsweise mit Mo oder mit 0.8 C-Fe, um hierdurch den Verschleißwiderstand zu erhöhen. Das Beschichten erfolgt dabei normalerweise durch Metallspritzen mittels Druckgas.

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, beispielsweise in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift 56 (1981)-77 374, auf der Oberfläche eines Aluminiummaterials mit Hilfe des Plasma-Spritzverfahrens eine Misch-Schicht aus Aluminium- Aluminiumnitrid aufzubringen und eine Deckschicht dann durch Brennen auszubilden. Als Mittel zur Erzielung der Sollfunktion an einem Grundmaterial kann auch das Hartlöt- Verfahren oder das Warmpressen Anwendung finden. Falls jedoch die Flächenausdehnung der Partie, die die gewünschte Sollfunktion erhalten soll, groß ist oder die Form des Grundmaterials kompliziert ist, dann entstehen Luftblasen im Bindebereich beim Hartlötvorgang, was eine niedrige Verbundfestigkeit zur Folge hat. Außerdem kann bei komplizierter Gestaltung des Grundbauteils das Warmpreßverfahren nicht eingesetzt werden.

Insbesondere in den letzten Jahren sind mechanische Konstruktionen und Bauteile überwiegend durch das Gießverfahren zu verwickelten Formen und Gestaltungen umgeformt worden, und die Flächenausdehnung des Bereiches, der eine bestimmte Sollfunktion zu erfüllen hat, ist immer größer gemacht worden. Deshalb wird in vielen Fällen ein Beschichtungsverfahren eingesetzt. Jedoch ist bei den herkömmlichen Beschichtungsmethoden, bei denen das Metallspritzen mittels Druckgas oder Plasma zur Anwendung kommt, die Haftung des die Zielfunktion erfüllenden Metalls am Grundmaterial schlecht. Das hat zur Folge, daß die Deckschicht sich leicht schält, woraus eine geringe Lebensdauer des Verbundteils resultiert. Vor allem dann, wenn als Zielfunktion eine hohe Verschleißfestigkeit gefordert ist, z. B. für Gleitführungen od. dgl., tritt ein Abschälen oder Abblättern der Deckschicht sehr leicht bei wiederholtem Verschieben auf.

Es ist weiterhin auch bereits ein Schichtverbundwerkstoff bekannt, bei dem das Trägermaterial aus einem hochfesten Metall, z. B. Molybdän, besteht und der eine Beschichtung oder Haut aus einem höchstoxidationsbeständigen Werkstoff aufweist (DE-OS 29 32 644). Dieser Schichtverbundwerkstoff ist für die Anwendung bei sehr hohen Temperaturen bestimmt, wobei das Trägermaterial die erforderliche hohe Festigkeit mit sich bringt, während die Beschichtung oder Haut eine Oxidation, für die das Trägermaterial bei diesen Temperaturen anfällig ist, verhindert. Als Verfahren zur Herstellung dieses bekannten Schichtverbundwerkstoffes werden unter anderem Plasmaspritzen, gemeinsames Kalt- oder Warmwalzen von Trägermaterial und Beschichtung, Diffusionsschweißen und heißisostatisches Pressen angegeben. Dieser Schichtverbundwerkstoff ist jedoch für eine Anwendung, bei der die Beschichtung oder Haut aus oxidationsbeständigem Werkstoff mechanischen Beanspruchungen, z. B. durch darauf gleitende andere Bauteile, aushalten muß, weder bestimmt noch aus den oben angegebenen Gründen geeignet. Denn auch hier ist zu erwarten, daß bei derartigen Beanspruchungen sich die oxidationsbeständige Schicht vom Trägermaterial löst und abschält.

Schließlich ist auch schon ein Verbundmaterial bekannt, das aus einer Kombination von Kupfer oder einer Kupferlegierung mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, wobei die Kupferschicht unter anderem eine erhöhte Verschleißfestigkeit geben soll (JP-OS 58 (1983)-77 784). Die Verbundpartner werden bei einer Temperatur von etwa 380°C und unter einem Druck von etwa 49 bis 61 bar drei Stunden lang behandelt und dadurch diffusionsgeschweißt. Auch dieser bekannte Verbundwerkstoff ist jedoch nicht voll zufriedenstellend, da einerseits aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kupfer und Aluminium bei höherer Betriebstemperatur von Hause aus Thermospannungen auftreten, die den Verbund belasten, andererseits zur Vermeidung einer intermetallischen Phase von CuAl₂ vor dem Diffusionsschweißen eine Al/Zn-Verbundfolie eingelegt wird. Diese kann unerwünschte Hohlräume zwischen den Verbundpartnern, die sich bei späterer Belastung als Ausgangspunkte für eine mechanische Trennung des Verbundes auswirken können, nur verhindern, wenn sie eine Dicke von höchstens 200 µ aufweist und auch die zu verbindenden Kupfer- und Aluminiumschichten verhältnismäßig dünn sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils zu schaffen, bei dem an einem ausgedehnten Flächenbereich an einer bestimmten Stelle des Grundmaterials eine erhöhte Verschleißfestigkeit erzielbar ist und diese Verschleißfestigkeit auch über eine lange Betriebsdauer hinweg aufrecht erhalten wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Verfahrensschritte gemäß Patentanspruch 1.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird grundsätzlich ein Flächenabschnitt, der die erhöhte Verschleißfestigkeit aufweisen soll, durch ein Funktionsteil aufgebaut, das aus einer Aluminiumlegierung besteht, welche zur Erzielung der erhöhten Verschleißfestigkeit in der Lage ist. Das Grundmaterial, das ebenfalls aus einer Aluminiumlegierung besteht, und dieses Funktionsteil werden aneinander durch gegenseitiges Einpassen befestigt, so daß eine Art Formschlußeingriff entsteht. In der durch das Einpassen oder Fügen erhaltenen Form werden Grundmaterial und Funktionsteil als ganzes durch Elektronenstrahl- oder Laserstrahlschweißen im Bereich des Fügespalts und anschließend durch eine Diffusionsbindung genau an der Fügestelle verbunden. Es ist daher möglich, einen großen Oberflächenbereich des Grundmaterials mit erhöhter Verschleißfestigkeit zu versehen und dabei eine Verbundfestigkeit zu erzielen, die höher als die durch ein Beschichtungsverfahren bisher erreichbare ist. Darüber hinaus weist das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Verbundbauteil in Abweichung von einer Beschichtung der Oberfläche eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Kräften auf, insbesondere gegenüber solchen, die parallel zur Oberfläche des Funktionsteiles wirken und durch eine gleitende Verschiebung oder dgl. erzeugt sind. Da außerdem Diffusionsbindung in dem Fügebereich des Grundmaterials mit dem Funktionsteil durch ein Elektronenstrahl- oder Laserstrahlschweißen erreicht wird, ist es möglich, das Grundmaterial mit dem Funktionsteil fest zu verbinden und trotzdem nachteilige thermische Effekte im Fügebereich außerhalb der eigentlichen Schweißverbindung zu vermeiden. Die Diffusionsbindung kann einwandfrei ausgeführt werden, weil im Fügebereich das Funktionsteil mit dem Grundmaterial längs des ganzen Umfanges durch die Strahlungsschweißung verbunden ist und daher evtl. Hohlräume, die im Fügebereich zwischen dem Grundmaterial und Funktionsteil vorliegen, von der Außenatmosphäre abgeschirmt sind. Durch die Verwendung des gleichen Basismetalls Aluminium für das Grundmaterial und das Funktionsteil werden weiterhin Thermospannungen aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnungen bei erhöhter Betriebstemperatur von vornherein auf einem Minimum gehalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit Erfolg auch auf kompliziert gestaltete Bauteile anwenden, wenn die Diffusionsbindung durch isostatisches Warmpressen (HIP- Verfahren) bewirkt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend im einzelnen anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 bis 4 Querschnitte eines Bauteils, anhand deren die hauptsächlichen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert sind, und

Fig. 5 ein Blockdiagramm, das anhand eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens dessen Abfolge deutlich macht.

Die Haupt-Verfahrensschritte, die in den Fig. 1 bis 4 veranschaulicht sind, werden unter Bezugnahme auf Fig. 5, die die Verfahrensschritte 11 bis 20 wiedergibt, erläutert:

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, wird ein Grundmaterial oder Basisteil 1 durch Gießen einer Aluminiumlegierung in eine bestimmte Form gebracht (Schritt 11). Das Basisteil 1 weist auf der Seite der Oberfläche 1 a einen Mittelbereich auf, der eine bestimmte Sollfunktion erhalten soll, beispielsweise Verschleißfestigkeit oder Dauerstandfestigkeit gegenüber Wärmespannungen. In diesem Mittelbereich auf der Oberfläche 1 a des Basisteils 1 wird eine Ausnehmung 3 eingearbeitet. Um durchgehend eine gleichmäßige Tiefe von beispielsweise angenähert 2 mm der Ausnehmung 3 zu erhalten, wird diese (im Schritt 12) nach dem Gießen spanabhebend hergestellt.

Weiterhin wird ein Funktionsteil 2 unter Verwendung eines Aluminium-Verbundmaterials, das eine der Sollfunktion entsprechende Eigenschaft hat, in Platten- oder Blechform gebracht. Als Material dient z. B. eine Hypersilmin-Legierung oder ein Werkstoff, der aus einer Aluminiumlegierung und Keramikpulver oder -fasern besteht, die als Hauptbestandteil SiC enthalten (Schritt 13). Das Funktionsteil 2 wird so geformt, daß es bezüglich Formgebung und Tiefe an die Ausnehmung 3 angepaßt ist. Insbesondere wird es spanabhebend so bearbeitet, daß seine Umfangsform angenähert gleich der Umfangsform der Ausnehmung 3 ist und seine Dicke gleich der Ausnehmungstiefe ist (Schritt 14).

Die Oberfläche des Basisteils 1 und des Funktionsteils 2, die auf diese Weise hergestellt worden sind, werden durch Eintauchen in ein alkalisches Lösungsmittel und durch Anwendung von Ultraschall von Oxiden und sonstigen Verunreinigungen gereinigt (Schritt 15). Anschließend wird, wie aus Fig. 2 hervorgeht, das Funktionsteil 2 in die Ausnehmung 3 des Basisteils 1 eingepaßt (Schritt 16). In den vorhergehenden Schritten 12 und 14 sind, wie beschrieben worden ist, die Ausnehmung 3 und das Funktionsteil 2 so bearbeitet worden, daß letzteres satt in die Ausnehmung 3 hineinpaßt, wenn es im Schritt 16 leicht eingedrückt wird.

Nach dem Einpassen des Funktionsteiles 2 in die Ausnehmung 3 des Basisteils 1 wird in dem nach außen freiliegenden Fügebereich, d. h. auf dem ganzen Umfang davon soweit dieser zur Oberfläche 1 a des Basisteils 1 hin mit kleinen Spalten oder Räumen zwischen dem Basisteil 1 und dem Funktionsteil 2 am Rand des Funktionsteils 2 offen ist, eine Elektronenstrahl- oder Laserstrahlschweißung ausgeführt (Schritt 17). Die aus Fig. 3 hervorgehende Schweißung erfolgt unter nicht-oxidierender Atmosphäre, beispielsweise im Vakuum oder unter inertem Gas, durch Konzentration einer Energiestrahlung hoher Dichte ausschließlich auf den Schweißpunkt unter Anwendung z. B. einer Elektronenstrahl- oder einer Laserstrahl-Schweißmaschine 4.

In Fig. 3 ist der auf diese Weise verschweißte Bereich mit Bezugszeichen 5 bezeichnet. Damit ist der schmale Spalt oder Raum, der im Einpaßbereich zwischen dem Basisteil 1 und dem Funktionsteil 2 gebildet wird, gegenüber der Umgebungsatmosphäre durch den Schweißbereich 5 vollständig abgeschirmt (abgedichtet).

Nach dem Schweißen werden das Basisteil 1 und das Funktionsteil 2 zumindest in Fügerichtung (d. h. in den Fig. 1 bis 4 in vertikaler Richtung) aneinandergedrückt und erhitzt. Auf diese Weise wird das Basisteil 1 mit dem Funktionsteil 2 durch Diffusionsbindung verbunden (Schritt 18). Der Bereich, in dem eine Diffusionsbindung vorliegt, ist in Fig. 4 mit Bezugszeichen 6 bezeichnet. Die Diffusionsbindung wird beispielsweise im HIP-Verfahren ausgeführt, d. h. durch Einbringen des Basisteils 1 und des gemäß Fig. 3 damit verschweißten Funktionsteils 2 in einen geschlossenen Behälter und durch Erhitzen bei gleichzeitiger Drucksteigerung durch Einführen von Druckgas in den Behälter. Für die Diffusionsbindung ist das HIP-Verfahren deshalb von Vorteil, weil es auch in Fällen anwendbar ist, in denen in Fügerichtung eine mechanisch erzeugte Kraft nicht aufgebracht werden kann, und das Funktionsteil 2 gegen das Basisteil 1 durch einen allseitig gleichmäßig wirksamen Druck des Druckgases angedrückt wird. Die Diffusionsbindung wird in der Hauptsache in dem Bereich bewirkt, der der Bodenfläche 3 a der Ausnehmung 3 entspricht (s. Fig. 1). Das HIP-Verfahren sollte vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 450 bis 550°C und unter einem Druck im Bereich von 196 bis 1470 bar während einer Wärme-Haltezeit im Bereich von 30 Minuten bis 3 Stunden ausgeführt werden. Liegt die Erhitzungstemperatur unter 450°C, dann wird die Diffusionsbindung ungenügend. Ist sie höher als 550°C, dann wird das aus Aluminiumlegierung bestehende Basisteil weich und verformt sich. Wenn die Wärme-Haltedauer kürzer als 30 Minuten ist, wird ebenfalls die Diffusionsbindung ungenügend, wohingegen es unwirtschaftlich ist, länger als 3 Stunden zu erhitzen. Schließlich wird die Diffusionsbindung auch ungenügend, wenn der Druck unter 196 bar liegt, während es wiederum unwirtschaftlich ist, einen über 1470 bar liegenden Druck anzuwenden.

Anschließend wird ein Härtevorgang ausgeführt, d. h. das T6- Verfahren, das allgemein für mechanische Bauteile aus Aluminiumlegierung angewendet wird (Schritt 19). Dieses Verfahren ist in der japanischen Industrienorm (JIS H 0001) festgelegt und beinhaltet nach einer Lösungsbehandlung eine künstliche Alterungshärtung ohne eine Kaltverformung oder nur unter einer geringen, zu Korrekturzwecken ausgeführten Kaltverformung, um die Festigkeit und Härte von Aluminium oder Aluminiumlegierungen zu erhöhen. Anschließend wird die Oberfläche 1 a des Basisteils 1, an der das Funktionsteil 2 nach außen hin freiliegt, spanabhebend auf die gewünschte Abmessung zum Endprodukt A bearbeitet (Schritt 20). Bei der Fertigbearbeitung kann das Basisteil 1 einfach durch gewöhnliches Drehen oder Fräsen bearbeitet werden, während das Funktionsteil 2 geschliffen wird.

Das Endprodukt A, d. h. das aus dem Basisteil 1 und dem Funktionsteil 2 bestehende Verbund-Bauteil, wird auf diese Weise erhalten. Die Oberfläche des Funktionsteils 2 davon wird als verschleißfeste Schicht eingesetzt. In Fällen, in denen das Verbund- Bauteil in einer Umgebung zum Einsatz gelangt, in dem Temperaturänderungen, d. h. thermische Belastungsänderungen auftreten, sollten die Aluminiumlegierungen des Basisteils 1 und das Aluminium- Verbundmaterial des Funktionsteils 2 so ausgewählt werden, daß der Unterschied bezüglich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den beiden so klein wie möglich ist. Von Vorteil ist es in einem solchen Fall, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Funktionsteils 2 kleiner als denjenigen des Basisteils 1 zu halten, um hierdurch das Auftreten von Spannungen zu verhindern, die die Ausnehmung 3 relativ enger machen, d. h. Spannungen, durch die das Funktionsteil 2 vom Rand her zusammengedrückt wird.

Die Erfindung wird weiterhin durch das nachfolgende, nicht als beschränkend anzusehende Beispiel veranschaulicht:

Ein Verbund-Bauteil wurde entsprechend den nachfolgend beschriebenen Schritten und unter den jeweils angegebenen Bedingungen hergestellt:

1. Basisteil 1.

Werkstoff: AC4A mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 21 × 10^-6 bis 23 × 10^-6 °K^-1
Form: Scheibenform mit einem Durchmesser von 90 mm und einer Dicke von 6 mm.

2. Ausnehmung 3.

Eine Ausnehmung mit einem Durchmesser von 70 mm und einer Tiefe von 2 mm, konzentrisch zum Basisteil 1.

3. Funktionsteil 2.

Werkstoff: Hypersilmin-Legierung (A390) mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 17 × 10^-6 bis 18 × 10^-6 °K^-1 (Zusammensetzung: 16 bis 18% Si, 4 bis 5% Cu, 0,1% Mn, 0,45 bis 0,65% Mg, 0,1% Zn, 0,2% Ti, Rest Al).
Form: Scheibenform mit einem Durchmesser von 70 mm und einer Dicke von 2 mm; einpaßbar in die Ausnehmung 3 durch leichtes Drücken.

4. Schritt 15 (Reinigung).

Zehnminütige Reinigung durch Ultraschall in einer schwach alkalischen Waschflüssigkeit.

5. Schritt 17

Nicht-oxidierende Atmosphäre: Vakuum (6,666 × 10^-5 bar) Elektronenstrahl-Schweißen mit einer Beschleunigungsspannung von 60 kV, einem Strahlstrom von 16 mA und einem Schweißvorschub von 1,0 m/min.

6. Schritt 18 (Diffusionsbindung).

Anwendung des HIP-Verfahrens.
Atmosphäre: Argon-Gas.
Haltetemperatur und -dauer: 550°C, 1 Stunde.
Haltedruck: 980 bar.
Verfahrensablauf: Das Erhitzen erfolgte vor der Aufbringung des Druckes.

7. Schritt 19 (Härtebehandlung).

Das T6-Verfahren wurde angewendet.
Lösungsglühen: 500°C, 3 Stunden lang (Aushärten mit Wasser).
Anlassen: 180°C, 6 Stunden lang (Luftkühlung).

Das auf diese Weise nach Schritt 19 (T6-Verfahren) erhaltene Verbund-Bauteil wurde untersucht; es wurde festgestellt, daß keinerlei Risse oder Sprünge im Basisteil 1 oder dem Funktionsteil 2 vorhanden waren, vielmehr ein einwandfreies Produkt vorlag.

Die gleichen Ergebnisse wurden erzielt, wenn für das Funktionsteil 2 ein Verbundmaterial aus einer 30 Gew.-% Si/Al-Legierung oder ein Verbundmaterial aus 15 Vol.-% SiC-Faser/Al (thermischer Ausdehnungskoeffizient 14 × 10^-6 bis 15 × 10^-6 °K^-1 eingesetzt wurde.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteiles mit örtlich erhöhter Verschleißfestigkeit, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

i) Fügen eines Funktionsteils (2) aus einem Aluminium- Verbundmaterial oder einer Aluminiumlegierung von hoher Verschleißfestigkeit in eine Ausnehmung (3) eines Basisteils (1) aus einer Aluminiumlegierung, wobei die Ausnehmung (3) an einer Außenfläche (1 a) vorgesehen ist, welche bei der Benutzung des Verbundbauteils einer Verschleißbeanspruchung unterliegt;
ii) Elektronenstrahl- oder Laserstrahlschweißen unter nichtoxidierender Atmosphäre des ganzen Umfangsbereiches (5), der zur Außenfläche (1 a) hin zwischen den durch das Fügen aneinander angrenzenden Abschnitten des Basisteils (1) und des Funktionsteils (2) freiliegt, und
iii) Erzeugung einer Diffusionsbindung im Kontaktbereich des Basisteils (1) und des Funktionsteils (2) durch Erhitzen der Teile (1, 2) auf eine Temperatur im Bereich von 450 bis 550°C und Verpressen der Teile (1, 2) zumindest in Fügerichtung unter einem Haltedruck im Bereich von 196 bis 1470 bar und während einer Wärme-Haltedauer von 0,5 bis 3 Stunden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Diffusionsbindung eine Behandlung zur Aushärtung und eine Fertigbearbeitung folgen.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für das Funktionsteil eine Hypersilmin-Legierung verwendet wird.