DE3633988A1 - Metalldichtung - Google Patents

Metalldichtung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Metalldichtung, besonders eine Verbesserung einer zusammengesetzten Metalldichtung, welche vorteilhafterweise zur Abdichtung von Verbrennungsmotoren verwendet wird.
Eine herkömmliche Metalldichtung dieses Typs ist in der japanischen Gebrauchs-Veröffentlichung Sho. 59-1 52 249 beschrieben. Diese Metalldichtung besitzt eine zusammengesetzte Struktur, bei welcher ein Substrat aus Hartmetall mit Deckschichten aus Weichmetall überzogen ist, welche auf beide Seiten des Substrats aufplattiert wurden. Bei der Herstellung einer solchen zusammengesetzten Metalldichtung verursacht plastische Verformung, wie Plattieren und Stanzen, eine Härtung der Deckschichten, und als Folge davon ist es sehr schwierig eine einheitliche, weiche Oberflächenbeschaffenheit auf der hergestellten Metalldichtung zu erzielen. Wenn eine solche Metalldichtung zur Abdichtung eingesetzt wird, kann die Metalldichtung keine ausreichende Abdichtung der rauhen Oberfläche des Objekts gewährleisten.
Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine zusammengesetzte Metalldichtung mit einer zufriedenstellenden Dichtungswirkung herzustellen.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Metalldichtung aus einem Substrat aus Hartmetall und Deckschichten besteht, welche beide Seiten des Substrats bedecken und aus einem Material bestehen, welches aus der Gruppe aus Cu, Cu-Basislegierungen, Al und Al- Basislegierungen ausgewählt ist, wobei das Material während der Herstellung einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 350 bis 500°C unterzogen wird.
Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf beiliegende Zeichnungen beschrieben. In diesen ist eine Ausführungsform der Erfindung als Beispiel dargestellt. Im Einzelnen zeigen
Fig. 1 eine Draufsicht einer Ausführungsform der Metalldichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 eine vereinfachte Seitenansicht eines Beispiels des Produktionsprozesses der Metalldichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung des Verhältnisses zwischen der Zugfestigkeit des Substrats und der Erwärmungstemperatur bei der Herstellung, und
Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung des Verhältnisses zwischen der Härte der Deckschicht und der Erwärmungstemperatur bei der Herstellung.
In Fig. 1 ist eine Metalldichtung 10 z. B. mit Zylinderlöchern 11 und Bolzenlöchern 12 versehen und zwischen die Kontaktflächen eines Zylinderblocks und eines Zylinderkopfes (nicht dargestellt) gelegt. In einem typischen Beispiel besteht die Metalldichtung 10 aus einem Substrat 13 aus rostfreiem Stahl und Deckschichten 14, welche auf beide Seiten des Substrats 13 aufplattiert sind. Die Deckschicht besteht aus Cu, Cu-Basislegierungen, Al oder Al-Basislegierungen.
Um die Zylinder- und Bolzenlöcher 11 und 12 weist die Metalldichtung 10 ausgedehnte Wülste 15 auf. Bei der Herstellung wird die Metalldichtung 10 nach der Bildung der Wülste mit einer Temperatur im Bereich von 350 bis 500°C wärmebehandelt. Genauer gesagt, wird die Metalldichtung vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 450 bis 500°C wärmebehandelt, wenn sie Cu oder Cu-Basislegierungen enthält. Enthält sie dagegen Al oder Al-Basislegierungen, wird sie vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 350 bis 500°C wärmebehandelt.
Allgemein besteht das Substrat aus Hartmetall, wie rostfreiem Stahl, am besten aus hitzebeständigem Federmetall. Ein Beispiel eines solchen hitzebeständigen Federmetalls ist kaltgewalzter Federstahl, welcher neben Fe 0,4 bis 1,0 Gew.-% C und 0,1 bis 0,5 Gew.-% Si enthält. Wenn nötig kann wahlweise noch einer oder mehrere der folgenden Bestandteile enthalten sein: 1,0 Gew.-% oder weniger Mn, 1,5 Gew.-% oder weniger Cr und 0,5 Gew.-% oder weniger V. Ein anderes Beispiel eines solchen Federmetalls ist rostfreier Federstahl, welcher neben Fe 10 bis 20 Gew.- % Cr enthält. Wenn nötig kann noch einer oder mehrere der folgenden Bestandteile enthalten sein: 0,5 Gew.-% oder weniger C, 1,0 Gew.-% oder weniger Si, 2,0 Gew.-% oder weniger Mn, 12@gGew.-% oder weniger Ni und 2,0 Gew.-% oder weniger Al. Ein anderes Beispiel eines solchen Federmetalls ist hitzebeständiger Federstahl, welcher neben Fe 30 bis 46 Gew.-% Ni und 15 bis 25 Gew.-% Cr enthält. Wenn nötig kann noch einer oder mehrere der folgenden Bestandteile enthalten sein: 0,1 Gew.-% oder weniger C, 1,0 Gew.-% oder weniger Si, 1,5 Gew.-% oder weniger Mn, 5,0 Gew.-% oder weniger Mo, 3,0 Gew.-% oder weniger Cu, 1,0 Gew.-% oder weniger Al und 1,5 Gew.-% oder weniger Ti. Ein weiteres Beispiel eines solchen Federmetalls ist eine hitzebeständige Ni-Basisfederlegierung, welche neben Ni 10 bis 25 Gew.-%Cr enthält. Wenn nötig kann noch einer oder mehrere der folgenden Bestandteile enthalten sein: 30 Gew.- % oder weniger Fe, 0,2 Gew.-% oder weniger C, 1,0 Gew.-% oder weniger Si, 1,0 Gew.-% oder weniger Mn, 1,0 Gew.-% oder weniger Cu, 2,0 Gew.-% oder weniger Al, 3,0 Gew.-% oder weniger Ti und 1,5 Gew.-% oder weniger (Nb + Ta).
Der Herstellungsprozess ist so ausgerichtet, daß die endgültige Dicke des Substrats vorzugsweise in einem Bereich von 0,10 bis 0,35 mm und die Endhärte vorzugsweise bei HV 350 bis 500 (Vickershärte) liegt.
Die Deckschicht 14 besteht aus Cu, Cu-Basislegierungen, Al oder Al-Basislegierungen. Ein Beispiel des Cu-Typs enthält neben Cu einen oder mehrere der folgenden Bestandteile: 3,5 Gew.-% oder weniger Fe, 3,0 Gew.-% oder weniger Sn, 45 Gew.-% oder weniger Zn, 12 Gew.-% oder weniger Al, 2,0 Gew.-% oder weniger Mn, 35 Gew.-% oder weniger Ni und 0,5 Gew.-% oder weniger P. Ein Beispiel eines Al-Typs enthält neben Al einen oder mehrere der folgenden Bestandteile: 1,2 Gew.-% oder weniger Si, 1,0 Gew.-% oder weniger Fe, 5,0 Gew.-% oder weniger Cu, 1,5 Gew.-% oder weniger Mn, 5,0 Gew.-% oder weniger Mg, 0,5 Gew.-% oder weniger Cr, 5,0 Gew.-% oder weniger Zn, 0,5 Gew.-% oder weniger Ti, 0,5 Gew.-% oder weniger V und 0,5 Gew.-% oder weniger Zr.
Die Metalldichtung 10 gemäß der Erfindung kann ferner noch Zwischenschichten enthalten, welche zwischen dem Substrat 13 und den Deckschichten 14 gebildet sind. Solch eine Zwischenschicht besteht aus Ni, wenn Cu oder eine Cu- Basislegierung für die Deckschicht verwendet wird, und sie besteht aus Cu, wenn Al oder eine Al-Basislegierung für die Deckschicht verwendet wird.
Die Zwischenschicht kann z. B. durch Plattieren oder durch galvanisches Überziehen auf das Substrat aufgebracht werden. Das Vorhandensein von solchen Zwischenschichten verhindert wirkungsvoll die Entstehung von brüchigen intermetallischen Verbindung zwischen dem Substrat und den Deckschichten sowie die Ausbildung von Hohlräumen beim Erhitzen und hilt, die Bindung zwischen dem Substrat und den Deckschichten zu festigen.
Der Herstellungsprozess ist so ausgerichtet, daß die endgültige Dicke der Deckschicht vorzugsweise in einem Bereich von 0,03 bis 0,15 mm liegt, und daß die Endhärte vorzugsweise bei HV 60 (Vickershärte) oder weniger liegt.
Ein Beispiel des Herstellungsprozesses ist in Fig. 3 dargestellt, bei dem ein unverarbeitetes Substrat 13 von einer Blechrolle 21 abgewickelt wird und unverarbeitete Deckschichten 14 von Blechlagen 22 so genommen werden, daß sie das unverarbeitete Substrat 13 von beiden Seiten sandwichartig einschließen. Die unverarbeitete Sandwich- Verbindung wird durch ein Paar Preßwalzen 23 plattiert. Nach dem Plattieren wird sie in einer Druckvorrichtung 24 plastisch verformt, um die oben beschriebenen Zylinderlöcher, Bolzenlöcher und ausgedehnten Wülste zu erhalten. Danach wird die verformte Verbindung zu einem Heizgerät 25 zur Wärmebehandlung weitergeleitet.
Um die Wirkung der Erfindung auf die Zugfestigkeit zu bestätigen, wurde eine Reihe von Tests bei verschiedenen Erwärmungstemperaturen durchgeführt, wobei ein Substrat von 0,2 mm Dicke aus SUS301H verwendet wurde. Die Erwärmung wurde bei jeder Temperatur 30 min. lang durchgeführt. Danach wurde die Zugfestigkeit des Substrats gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 4 aufgezeichnet, in welcher die Erwärmungstemperatur auf der Abszisse und Zugfestigkeit auf der Ordinate aufgetragen ist. Die graphische Darstellung zeigt deutlich, daß der Erwärmungstemperaturbereich, welcher bei der Erfindung verwendet wurde, einen bedeutenden Anstieg der Zugfestigkeit sicherstellt.
Ferner wurde eine Reihe verschiedener Tests durchgeführt, um die Wirkung der Erfindung auf die Härte zu bestätigen. In Fig. 5 ist die Erwärmungstemperatur auf die Abszisse und die Härte auf der Ordinate aufgetragen. Die punktierte Linie ist für eine Cu-Deckschicht und die strichpunktierte Linie für eine Al-Deckschicht. Aus dem Diagramm geht deutlich hervor, daß die Erwärmungstemperatur, die bei der Erfindung angewendet wird, eine geringere Härtung der Deckschichten beim Erwärmen gewährleistet.

Claims (19)

1. Metalldichtung, gekennzeichnet durch ein Substrat aus Hartmetall und Deckschichten, welche beide Seiten des Substrats bedecken und aus einem Material bestehen, welches aus der Gruppe aus Cu, Cu- Basislegierungen, Al und Al-Basislegierungen ausgewählt ist, wobei das Material während der Herstellung einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 350 bis 500°C unterzogen wird.
2. Metalldichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschichten aus Cu oder einer Cu- Basislegierung bestehen und die Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 450 bis 500°C durchgeführt wird.
3. Metalldichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus hitzebeständigem Federmetall besteht.
4. Metalldichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das hitzebeständige Federmetall kaltgewalzter Federstahl ist, welcher neben Fe 0,4 bis 1,0 Gew.-% C und 0,1 bis 0,5 Gew.-% Si enthält.
5. Metalldichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der kaltgewalzte Federstahl ferner noch einen oder mehrere der folgenden Bestandteile enthält: 1,0 Gew.-% oder weniger Mn, 1,5 Gew.-% oder weniger Cr und 0,5 Gew.-% oder weniger V.
6. Metalldichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das hitzebeständige Federmetall rostfreier Federstahl ist, welcher neben Fe 10 bis 20 Gew.-% Cr enthält.
7. Metalldichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der rostfreie Federstahl ferner noch einen oder mehrere der folgenden Bestandteile enthält: 0,5 Gew.-% oder weniger C, 1,0 Gew.-% oder weniger Si, 2,0 Gew.-% oder weniger Mn, 12 Gew.-% oder weniger Ni und 2,0 Gew.-% oder weniger Al.
8. Metalldichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das hitzebeständige Federmetall hitzebeständiger Federstahl ist, welcher neben Fe 30 bis 46 Gew.-% Ni und 15 bis 25 Gew.-% Cr enthält.
9. Metalldichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der hitzebeständige Federstahl ferner noch einen oder mehrere der folgenden Bestandteile enthält: 0,1 Gew.-% oder weniger C, 1,0 Gew.-% oder weniger Si, 1,5 Gew.-% oder weniger Mn, 5,0 Gew.-% oder weniger Mo, 3,0 Gew.-% oder weniger Cu, 1,0 Gew.-% oder weniger Al und 1,5 Gew.-% oder weniger Ti.
10 Metalldichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das hitzebeständige Federmetall eine hitzebeständige Ni-Basisfederlegierung ist, welche neben Ni 10 bis 25 Gew.-% Cr enthält.
11. Metalldichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die hitzebesändige Ni-Basisfederlegierung ferner noch einen oder mehrere der folgenden Bestandteile enthält: 30 Gew.-% oder weniger Fe, 0,2 Gew.-% oder weniger C, 1,0 Gew.-% oder weniger Si, 1,0 Gew.-% oder weniger Mn, 1,0 Gew.-% oder weniger Cu, 2,0 Gew.-% oder weniger Al, 3,0 Gew.-% oder weniger Ti und 1,5 Gew.-% oder weniger (Nb + Ta).
12. Metalldichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschichten aus einer Cu-Basislegierung bestehen, welche neben Cu einen oder mehrere der folgenden Bestandteile enthält: 3,5 Gew.-% oder weniger Fe, 3,0 Gew.-% oder weniger Sn, 45 Gew.-% oder weniger Zn, 12 Gew.-% oder weniger Al, 2,0 Gew.-% oder weniger Mn, 35 Gew.-% oder weniger Ni und 0,5 Gew.-% oder weniger P.
13. Metalldichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschichten aus einer Al-Basislegierung bestehen, welche neben Al einen oder mehrere der folgenden Bestandteile enthalten: 1,2 Gew.-% oder weniger Si, 1,0 Gew.-% oder weniger Fe, 5,0 Gew.-% oder weniger Cu, 1,5 Gew.-% oder weniger Mn, 5,0 Gew.- % oder weniger Mg, 0,5 Gew.-% oder weniger Cr, 5,0 Gew.-% oder weniger Zn, 0,5 Gew.-% oder weniger Ti, 0,5 Gew.-% oder weniger V und 0,5 Gew.-% oder weniger Zr.
14. Metalldichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Zwischenschichten zwischen dem Substrat und den Deckschichten vorhanden sind.
15. Metalldichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschichten aus Cu oder einer Cu- Basislegierung bestehen und die Zwischenschichten aus Ni.
16. Metalldichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschichten aus Al oder einer Al- Basislegierung bestehen und die Zwischenschichten aus Cu.
17. Metalldichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Substrats im Bereich von 0,10 bis 0,35 mm liegt.
18. Metalldichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Härte des Substrats bei Hv 350 bis 500 (Vickershärte) liegt.
19. Metalldichtung anch einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke jeder Deckschicht im Bereich von 0,03 bis 0,15 mm liegt.
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