DE3810497C2

DE3810497C2 - Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumlegierung mit ausgezeichneter Knetbarkeit

Info

Publication number: DE3810497C2
Application number: DE3810497A
Authority: DE
Inventors: Yasuo Iwata; Shigenori Mae; Yoshio Urai; Takayuki Tsunoda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1987-03-30
Filing date: 1988-03-28
Publication date: 1993-09-30
Anticipated expiration: 2008-03-29
Also published as: US4889557A; DE3810497A1; JPS63243245A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumlegierung mit ausgezeich neter Knetbarkeit gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und die Verwendung der Aluminiumlegierung zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor.

Als übliches Verfahren zur Herstellung von Kolben für Verbren nungmotoren ist auf dem Fachgebiet der Aluminiumlegierungs-, Bearbeitungs- bzw. Umformungstechnik ein Gießverfahren bekannt.

Seit kurzem jedoch erregt ein pulvermetallurgisches Verfahren anstelle des üblichen Gießverfahrens große Aufmerksamkeit.

Der Grund für diese Neigung besteht darin, daß das pulverme tallurgische Verfahren im Vergleich zu dem Gießverfahren den Bereich erweitert, aus dem Zusatzelemente ausgewählt werden können. Bei diesem pulvermetallurgischen Verfahren wird vor zugsweise ein durch Verfestigen mit Hilfe von raschem Abküh len erhaltenes Aluminiumlegierungspulver verwendet, das her gestellt wird, indem man eine geschmolzene Aluminiumlegierung rasch abkühlt bzw. abschreckt, wobei die Abkühlungsgeschwin digkeit 10³ bis 10⁷°C/s beträgt, was 10²- bis 10⁵mal schnel ler ist als bei dem üblichen Aluminiumlegierungsguß.

Die feste Lösung der Legierungselemente des durch Verfestigen mit Hilfe von raschem Abkühlen erhaltenen Aluminiumlegierungs pulvers ist bei dem pulvermetallurgischen Verfahren infolge dessen in hohem Maße übersättigt. Das Aluminiumlegierungs erzeugnis, daß aus dem durch Verfestigen mit Hilfe von ra schem Abkühlen erhaltenen Aluminiumlegierungspulver herge stellt wird, hat deshalb ausgezeichnete mechanische Eigen schaften wie z. B. eine hervorragende Verschleißfestigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit bzw. Warmfestigkeit, die durch den üblichen Aluminiumlegierungsguß nicht erzielbar sind. Ein solches pulvermetallurgisches Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungserzeugnissen ist z. B. aus der JP-OS 131945/ 1985 bekannt.

Bei Aluminiumlegierungserzeugnissen, die durch das Verfahren hergestellt werden, das aus der JP-OS 131945/1985 bekannt ist, kommt es vor, daß sich an dem Erzeugnis Risse bilden, wenn es durch Schmieden hergestellt wird. Es wird angenommen, daß sol che Risse durch ungenügende Flexibilität des geschmiedeten Aluminiumlegierungserzeugnisses verursacht werden.

Aus der EP-A-0 144 898 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumlegierung aus 10 bis 36 Gew.-% Silicium, 2 bis 10 Gew.-% wenigstens eines Metalls aus der Gruppe Eisen, Nickel, Kobalt, Chrom, Mangan und Rest Aluminium bekannt, wobei zunächst die geschmolzene Aluminiumlegierung atomisiert, aus dem Legierungspulver ein Grünling durch Verdichten gebildet, der Grünling dann erhitzt und anschließend warmstranggepreßt wird. Auch bei diesem Verfahren ist eine sehr gute Schmiedbarkeit nicht gewährleistet, so daß sich bei der Bearbeitung des Grünlings wiederum Risse bilden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumlegie rung, die aus einem durch Verfestigen mit Hilfe von raschem Abkühlen erhaltenen Aluminiumlegierungspulver gebildet wird, derart zu verbessern, daß die Aluminiumlegierung eine ausgezeichnete Knetbarkeit hat, so daß sich an einem daraus durch Schmieden hergestell ten Aluminiumlegierungserzeugnis keine Risse bilden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumlegierung mit den im kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1 oder 2 angegebenen Merkma len gelöst.

Unter dem durch Verfestigen erhaltenen Aluminiumlegierungspul ver ist ein Pulver zu verstehen, das sich in einem für die Herstellung eines Stücks geeigneten verfestigten Zustand be findet.

Die Aluminiumlegierung wird durch das folgende Verfah ren hergestellt:

1. Aus dem durch rasches Abkühlen enthaltenen Aluminiumlegie rungspulver wird durch Maßnahmen wie z. B. Pressen oder isosta tisches Kaltpressen ein Grünling geformt.

2. Der Grünling wird in eine geeignete Schutz- bzw. Abdeckein richtung eingebracht und bei einer Temperatur zwischen 400°C und 500°C unter einer Vakuumatmosphäre (133 bis 1,33 mPa) er hitzt. Der Grünling wird dann in der Schutzeinrichtung abge schirmt bzw. geschützt.

3. Der Grünling wird dann in der Schutzeinrichtung warmstrang gepreßt.

4. Die erhaltene stranggepreßte Aluminiumlegierung wird durch Abschälen der Schutzeinrichtung freigelegt.

Ferner ist es im Rahmen der Erfindung möglich, im Verfahren ein durch Ver festigen mit Hilfe von raschem Abkühlen erhaltenes Aluminium legierungspulver zu verwenden, das durch ein Zerstäubungsver fahren hergestellt wird. In diesem Fall wird jedoch vorzugs weise ein durch Verfestigen mit Hilfe von raschem Abkühlen er haltenes Aluminiumlegierungspulver verwendet, von dem mehr als 90 Masse-% aus Teilchen mit einem mittleren Durchmesser von weniger als 297 µm bestehen.

Nachstehend wird die Rolle der vorstehend erwähnten Legie rungselemente erläutert.

Eisen (bis 8 und vorzugsweise 3 bis 8 Masse-%)

Eisen ist unerläßlich, um sicherzustellen, daß die Aluminium legierung für Konstruktionszwecke Hochtemperaturbeständigkeit bzw. Warmfestigkeit, einen hohe adiabatischen Wirkungsgrad und einen hohen Elastizitätsmodul hat. Wenn mehr als 8 Masse-% Eisen vorhanden sind, wird die Dichte zu groß, was dazu führt, daß Merkmale der Aluminiumlegierung wie die Leichtigkeit und die Formbarkeit beim Warmschmieden beeinträchtigt werden.

Silicium (bis 30 und vorzugsweise 10 bis 30 Masse-%)

Silicium ist wirksam, um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen, was durch alleinigen Zusatz von Eisen nicht erreicht wird, und um den Elastizitätsmodul zu verbessern.

Eine übermäßige Siliciummenge beeinträchtigt jedoch in auffäl ligem Maße die Schlagfestigkeit und verursacht beim Strang preßverfahren die Bildung von Rissen. Der Siliciumgehalt soll te infolgedessen auf höchstens 30 Masse-% begrenzt sein, wäh rend er nicht weniger als 10 Masse-% betragen sollte, damit ei ne hohe Verschleißfestigkeit sichergestellt ist.

Kupfer (bis 7 und vorzugsweise 2 bis 7 Masse-%)

Kupfer ist ein Element, das hauptsächlich zum Ausgleich einer auf den Zusatz von Eisen und Silicium zurückzuführenden Ver minderung des Sinterungsvermögens unerläßlich ist. Ein zu ho her Kupfergehalt (mehr als 7 Masse-%) verursacht jedoch eine Abnahme der Hochtemperaturbeständigkeit bzw. Warmfestigkeit der Aluminiumlegierung.

Sauerstoff (bis 0,2 und vorzugsweise 0 bis weniger als 0,2 Masse-%)

Ein zu hoher Sauerstoffgehalt (mehr als 0,2 Masse-%) führt zu einer Verminderung der Knetbarkeit bzw. Schmiedbarkeit, des Grenz-Preßbarkeitsfaktors und der relativen Querschnittsflä che der nach einem Zugversuch erhaltenen Bruchfläche. Der Sau erstoffgehalt der Aluminiumlegierung erreicht etwas weniger als 0,4 Masse-%, wenn das Warmstrangpressen an der Atmosphäre durchgeführt wird, etwas mehr als 0,2 Masse-%, wenn das Warm strangpressen in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt wird, und etwas weniger als 0,1 Masse-%, wenn es durchgeführt wird, indem der Grünling in ein Rohr eingebracht, unter Vakuum er hitzt und nach dem Abschirmen des Rohrs in dem Rohr warm stranggepreßt wird. Aus diesem Grund sollte der Grünling in einer geeigneten Schutzeinrichtung zum Entgasen unter Vakuum erhitzt und stranggepreßt werden. Der Sauerstoffgehalt sollte auf einen möglichst geringen Wert in dem Bereich von 0 bis 0,2 Masse-% eingestellt werden.

Im Fall der Verwendung eines Rohrs als Schutzeinrichtung ist ein aus Stahl oder Aluminium hergestelltes Rohr brauchbar. Ein solches Rohr kann nach dem Warmstrangpreßverfahren z. B. durch spanende Bearbeitung entfernt werden.

Einer der Vorteile der Erfindung besteht darin, daß sie die Erzielung einer Aluminiumlegierung ermöglicht, die einen ho hen Grenz-Preßbarkeitsfaktor E_f von mehr als 40% hat und ei ne hohe relative Querschnittsfläche Φ der nach einem Zugver such erhaltenen Bruchfläche von mehr als 23% zeigt. Ferner ist sichergestellt, daß ein Kolben, der durch Schmieden aus der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung hergestellt worden ist, eine verbesserte Zugfestigkeit von mehr als 196 N/mm² und eine hohe relative Querschnittsfläche der nach einem Zug versuch erhaltenen Bruchfläche von nicht weniger als 10% zeigt. Die relative Querschnittsfläche Φ der nach einem Zug versuch erhaltenen Bruchfläche ist durch die folgende Glei chung gegeben. Eine höhere relative Querschnittsfläche Φ der nach einem Zugversuch erhaltenen Bruchfläche bedeutet eine hö here Dehnung.

Aus diesen Gründen kann festgestellt werden, daß die erfin dungsgemäß hergestelle Aluminiumlegierung eine ausgezeichnete Knetbar keit hat und infolgedessen zur Herstellung von Bauteilen wie z. B. Kolben für Verbrennungsmotoren geeignet ist.

Die Ausführungsformen der Erfindung werden nach stehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen nä her erläutert.

Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwi schen dem Sauerstoffgehalt und dem Grenz-Preßbarkeitsfaktor und die Beziehung zwischen dem Sauerstoffgehalt und der rela tiven Querschnittsfläche der nach einem Zugversuch erhaltenen Bruchfläche bei den erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Legierung zeigt.

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwi schen dem Sauerstoffgehalt und der relativen Quer schnittsfläche der nach einem Zugversuch erhaltenen Bruchflä che bei einem Kolben zeigt, der aus einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Lösung hergestellt wurde.

Fig. 3 ist ein Senkrechtschnittzeichnung eines Kolbens.

Fig. 4 ist eine Draufsicht des in Fig. 3 gezeigten Kolbens.

Als erster Schritt des Verfahrens zur Herstellung der Alu miniumlegierung wurde aus einer geschmolzenen Aluminiumlegie rung durch Verfestigung mit Hilfe von raschem Abkühlen bzw. Abschrecken mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 10³ bis 10⁷°C/s ein Aluminiumlegierungspulver hergestellt, das 20 Masse-% Silicium, 4,8 Masse-% Eisen, 2,2 Masse-% Kupfer, 1,2 Masse-% Magnesium und 1,1 Masse-% Mangan enthielt und das einen mittleren Teilchendurchmesser von 80 bis 100 µm hatte.

Dann wurde aus dem durch Verfestigen mit Hilfe von raschem Ab kühlen erhaltenen Aluminiumlegierungspulver unter Anwendung einer Preßform ein zylindrischer Grünling geformt. Der erfor derliche Preßdruck lag in dem Bereich von 98 N/cm² bis 196 N/ cm². Der Grünling hatte einen Durchmesser von etwa 250 mm und eine Höhe von etwa 800 mm.

Der Grünling wurde dann in ein Aluminiumrohr eingebracht und 10 bis 30 min lang bei 400°C bis 500°C unter einem Vakuum von 133 bis 1,33 mPa erhitzt.

Nach diesem Erhitzungsschritt wurde der Grünling in dem Alu miniumrohr abgeschirmt bzw. eingeschlossen und warmstrangge preßt. Die prozentuale Abnahme der Querschnittsfläche wurde auf 70 bis 90% eingestellt, und die Temperatur beim Strang pressen wurde auf 350 bis 500°C eingestellt. Dieses Warm strangpressen wurde unter Anordnung von Mundstücken durchge führt. Auf diese Weise wurde ein stranggepreßtes Aluminiumle gierungserzeugnis mit einem Durchmesser von 75 mm geformt.

Die Messung des Sauerstoffgehalts der auf diese Weise erhalte nen stranggepreßten erfindungsgemäß hergestellten Aluminiumlegierung er gab einen Wert von 0,06 Masse-%.

Zum Vergleich wurde ein aus demselben Aluminiumlegierungspul ver hergestellter Grünling 10 bis 30 min lang bei 400°C bis 500°C in einer Argongasatmosphäre erhitzt. Der erhitzte Grün ling wurde dann direkt in der Argongasatmosphäre warmstrang gepreßt, ohne daß er in einem Rohr geschützt bzw. abgeschirmt wurde. Die Messung des Sauerstoffgehalts der auf diese Wei se erhaltenen stranggepreßten Aluminiumlegierung ergab einen Wert von 0,25 Masse-%.

Für einen anderen Vergleich wurde ein aus demselben Aluminium legierungspulver hergestellter Grünling 10 bis 30 min lang bei 400°C bis 500°C an der Luft erhitzt. Der erhitzte Grün ling wurde dann direkt an der Luft stranggepreßt, ohne daß er in einem Rohr geschützt bzw. abgeschirmt wurde. Die Messung des Sauerstoffgehalts der auf diese Weise erhaltenen strang gepreßten Aluminiumlegierung ergab einen Wert von 0,38 Masse-%.

Es wurden Versuche durchgeführt, um bei jeder der strangge preßten Aluminiumlegierungen die Knetbarkeit zu prüfen. Die Knetbarkeitsprüfung bestand darin, daß bei jeder der strang gepreßten Aluminiumlegierungen der Grenz-Preßbarkeitsfaktor und die relative Querschnittsfläche der nach einem Zugversuch erhaltenen Bruchfläche gemessen wurden.

Es ist anzumerken, daß die vorstehend erwähnte Prüfung des Grenz-Preßbarkeitsfaktors in Übereinstimmung mit der von dem Forging Subcommittee der Plastic Working Academic Society vor geschriebenen Prüfmethode durchgeführt wurde. D. h., der ver wendete Prüfkörper war der von dem Forging Subcommittee vorge schriebene Prüfkörper Nr. 1 mit einer Länge von 45 mm und ei nem Durchmesser von 30 mm, bei dem das Verhältnis Länge : Durch messer 1,5 beträgt. Beim Druckversuch wurden die beiden Enden der Prüfkörper mit zum Festlegen der Endflächen dienenden Platten in Berührung gebracht und gepreßt. Jeder Prüfkörper wurde in einem Warmhalteofen bei 450°C bis 480°C erhitzt. Die Verformungsgeschwindigkeit der Prüfkörper lag im Bereich von 0,11 bis 0,16.

Die Messung der relativen Querschnittsfläche der nach einem Zugversuch erhaltenen Bruchfläche wurde durchgeführt, nachdem jeder Prüfkörper 15 min lang bei 450°C gehalten worden war. Die Temperatur des Ziehwerkzeugs betrug 150°C bis 200°C. Die Ziehgeschwindigkeit betrug 2 mm/s.

Die Versuchsergebnisse sind in Fig. 1 erläutert, in der die Kennlinie E_f (o) den Grenz-Preßbarkeitsfaktor in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt und die Kennlinie Φ(Δ) die relative Querschnittsfläche der nach einem Zugversuch erhaltenen Bruch fläche in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt zeigt.

Wie durch die Kennlinien E_f und Φ in Fig. 1 gezeigt wird, be trägt im Fall eines über 0,2 Masse-% liegenden Sauerstoffge halts der Grenz-Preßbarkeitsfaktor weniger als 43% und die relative Querschnittsfläche der nach einem Zugversuch erhal tenen Bruchfläche weniger als 24%. Dies bedeutet, daß der Sauerstoffgehalt 0,2 Masse-% oder weniger betragen muß.

Unter den Verfahrens-Bedingungen, daß der Sauerstoffgehalt bei einem Grünling vor dem Warmstrangpressen in einer Schutzeinrichtung unter einem Vakuum von 133 bis 1,33 mPa bei einer Temperatur von 400 bis 500°C auf unter 0,2 Masse-% herabgesetzt wird, beträgt der Grenz-Preßbarkeitsfaktor mehr als 43% und die relative Querschnittsfläche der nach einem Zugversuch erhaltenen Bruchfläche mehr als 24%, so daß die stranggepreßte Aluminiumlegierung selbst im Fall der Durchführung eines Warmschmiedens ohne Bildung von Rissen knetbar bzw. schmiedbar ist.

Aus den drei vorstehend erwähnten Arten von stranggepreßten Aluminiumlegierungen wurden dann Kolben hergestellt. D. h., jedes der stranggepreßten Erzeugnisse wurde einer spanenden Bearbeitung unterzogen, um einen Körper mit einem Durchmesser von 35 mm und einer Länge von 82,8 mm herzustellen. Jeder auf diese Weise erhaltene Körper wurde wieder 10 bis 30 min lang bei 400°C bis 500°C erhitzt. Dann wurde jeder erhitzte Körper unter Anwendung eines Schmiedegesenks warmgeschmiedet, um ei nen geschmiedeten Rohkolben zu formen. Der Druck beim Schmie den lag im Bereich von 588 N/mm² bis 981 N/mm². Die prozen tuale Abnahme der Querschnittsfläche des erhaltenen Erzeugnis ses war im allgemeinen von Bereich zu Bereich des Erzeugnis ses verschieden. Die prozentuale Abnahme der Querschnittsflä che betrug im Falle dieses Kolbens höchstens 80%.

Der geschmiedete Rohkolben ist in Fig. 3 (einer Senkrecht schnittzeichnung des Kolbens) und in Fig. 4 (einer Drauf sicht des Kolbens) gezeigt.

Um die Zähfestigkeit bzw. Härte jedes geschmiedeten Rohkol bens zu prüfen, wurden durch Herausschneiden der in Fig. 3 und 4 durch gestrichelte Linien gezeigten Oberteile aus den geschmiedeten Rohkolben mittels spanender Bearbeitung Prüf körper hergestellt. Diese Prüfkörper wurden zum Lösungsglühen 2 h lang bei 475°C erhitzt und dann zum Abschrecken in warmes Wasser (60°C) gelegt und zur Alterung 6 h lang bei 180°C er hitzt.

Nach diesen Verfahren wurden Zugversuche durchgeführt, indem jeder Prüfkörper mit einer Ziehgeschwindigkeit von 20 mm/s ge zogen wurde.

Die Versuchsergebnisse sind in Fig. 2 erläutert, in der die Kennlinie σ_B die Zugfestigkeit in Abhängigkeit vom Sauerstoff gehalt und die Kennlinie Φ die relative Querschnittsfläche der nach einem Zugversuch erhaltenen Bruchfläche in Abhängig keit vom Sauerstoffgehalt zeigt.

Wie in Fig. 2 gezeigt wird, beträgt im Fall eines über 0,2 Masse-% liegenden Sauerstoffgehalts die Zugfestigkeit weniger als 226 N/mm² und die relative Querschnittsfläche der nach ei nem Zugversuch erhaltenen Bruchfläche weniger als 10%. Ein unter 0,2 Masse-% liegender Sauerstoffgehalt der Aluminiumlegierung führt also dazu, daß unter Verwendung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Aluminiumlegierung Kolben mit sehr guten Eigenschaften hergestellt werden können.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumlegierung mit ausgezeichneter Knetbarkeit, bei dem ein Aluminiumlegie rungspulver durch rasches Abkühlen einer geschmolzenen Aluminiumlegierung aus 10 bis 30 Masse-% Silicium, 3 bis 8 Masse-% Eisen, 2 bis 7 Masse-% Kuper, und Rest Aluminium bei einer Rate von 10³ bis 10⁷°C/sek erzeugt, aus dem Legierungspulver ein Grünling durch Verdichten gebildet, der Grünling erhitzt und anschließend warmstranggepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Warmstrangpressen der Grünling in einer Schutzeinrichtung unter einem Vakuum von 133 bis 1,33 mPa bei einer Temperatur von 400 bis 500°C erhitzt und danach in dieser Schutzeinrichtung warmstranggepreßt wird, um den Sauerstoffgehalt auf bis 0,2 Masse-% oder weniger herabzusetzen.

2. Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumlegierung mit ausgezeichneter Knetbarkeit, bei dem ein Aluminiumlegie rungspulver durch rasches Abkühlen einer geschmolzenen Alu miniumlegierung aus 10 bis 30 Masse-% Silicium, 3 bis 8 Masse-% Eisen, 2-7 Masse-% Kupfer, 1,2 Masse-% Magnesium und 1,1 Masse-% Mangan, und Rest Aluminium bei einer Rate von 10³ bis 10⁷°C/sek erzeugt, aus dem Legierungspulver ein Grünling durch Verdichten gebildet, der Grünling erhitzt und anschließend warmstranggepreßt wird, dadurch gekenn zeichnet, daß vor dem Warmstrangpressen der Grünling in ei ner Schutzeinrichtung unter einem Vakuum von 133 bis 1,33 mPa bei einer Temperatur von 400 bis 500°C erhitzt und da nach in dieser Schutzeinrichtung warmstranggepreßt wird, um den Sauerstoffgehalt auf bis 0,2 Masse-% oder weniger her abzusetzen.

3. Verwendung der nach einem Verfahren von Anspruch 1 oder 2 her gestellten Aluminiumlegierung für die Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren durch Warmschmieden.

4. Verwendung nach Anspruch 3, wobei der Kolben einen Ober flächenbereich aufweist, der eine Zugfestigkeit von nicht weniger als 225 N/mm² und eine relative Querschnittsfläche der nach einem Zugversuch erhaltenen Bruchfläche von nicht weniger als 10% hat.