DE4318193A1

DE4318193A1 - Verbundmaterial und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE4318193A1
Application number: DE19934318193
Authority: DE
Inventors: Masaru Akiyama; Minoru Fukazawa
Original assignee: Tokai Carbon Co Ltd
Current assignee: Tokai Carbon Co Ltd
Priority date: 1992-06-05
Filing date: 1993-06-01
Publication date: 1993-12-09
Also published as: JP3082152B2; JPH05337630A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundmaterial, das leichtes Gewicht hat, geringe Wärmeausdehnung besitzt und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften hat und als ein Material für Kolben für einen Verbrennungsmotor brauchbar ist; außerdem betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung dieses Materials.

Bisher wurde eine Aluminiumlegierung auf Al-Si-Basis (beispielsweise JIS AC 8A und A 4032) mit einem relativ hohen Siliciumgehalt für Kolben eines Verbrennungsmotors wegen ihrer Leichtheit und ihres geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet. Höhere Leistungen haben aber jüngst für Kolben von Verbrennungsmotoren beispielsweise niedrigen Brennstoffverbrauch, hohe Leistung und geringes Geräusch gefordert. Versuche, diese Eigenschaften zu verbessern, führten jedoch zu einem Anstieg der Temperatur und der Umdrehungszahl der Verbrennungsmotoren, was es schwierig macht, daß das Kolbenmaterial aus einer Aluminiumlegierung diese Erfordernisse erfüllt.

Graphit hat von Hause aus Eigenschaften, die für die Verwendung als ein Material für Kolben geeignet sind, wie geringe Dichte, niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, Selbstschmierung und Beibehaltung der Festigkeit selbst bei erhöhten Temperaturen, doch hat er ernsthafte Nachteile, da seine mechanischen Eigenschaften viel schlechter als jene metallischer Materialien sind. Daher konnte Graphit allein niemals als ein Material für Kolben verwendet werden. So besteht ein Bedarf an Materialien, die für Kolben mit verbesserten Eigenschaften geeignet sind.

Die vorliegenden Erfinder konzentrierten sich auf die Entwicklung eines für Kolben geeigneten Materials, das vorteilhafte Eigenschaften besitzt, die dem Graphit eigen sind, ohne die mechanischen Eigenschaften zu beeinträchtigen.

Speziell ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein leichtes Verbundmaterial mit niedriger Wärmeausdehnung und ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften zu bekommen, das für Kolben geeignet ist und Graphit und eine Aluminiumlegierung umfaßt. Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung dieses Verbundmaterials zu bekommen.

Zur Lösung dieser Aufgabe betrifft die vorliegende Erfindung ein Verbundmaterial, das als ein Werkstoff für Kolben eines Verbrennungsmotors geeignet ist und eine Porosität von höchstens 10% hat und das 60 bis 95 Vol.-% einer isotropen Graphitmatrix sowie eine die Poren dieser Matrix durchtränkende Aluminiumlegierung umfaßt.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials, das 60 bis 95 Vol.-% einer isotropen Graphitmatrix umfaßt und eine Porosität von höchstens 10% besitzt, indem man eine isotrope Graphitmatrix mit einer Porosität im Bereich von 5 bis 40% unter einem Druck von wenigstens 100 kg/cm² mit einer geschmolzenen Aluminiumlegierung durchtränkt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt eine Veränderung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Produktverbundmateri als in bezug auf die Porosität der als Ausgangsmaterial verwendeten isotropen Graphitmatrix, und

Fig. 2 zeigt Veränderungen der Hochtemperatur-Biegefestigkeit und der scheinbaren Dichte des Produktverbundmaterials in bezug auf die Porosität der als Ausgangsmaterial ver wendeten isotropen Graphitmatrix.

Die vorliegende Erfindung liefert ein Verbundmaterial, das als ein Material für Kolben eines Verbrennungsmotors geeignet ist und 60 bis 95 Vol.-% einer isotropen Graphitmatrix sowie eine Aluminiumlegierung umfaßt, die in die Poren der Graphitmatrix durch Imprägnierung eingefüllt ist und die in dieser Matrix so vermittelt, daß sich ein erwünschtes Verbundmaterial mit einer Porosität von nicht mehr als 10%, vorzugsweise unter 2% bildet.

Die isotrope Graphitmatrix als ein primärer Bestandteil des Verbundmaterials der vorliegenden Erfindung zeigt Isotropie in allen Richtungen des Graphits hinsichtlich der mechanischen, thermischen, elektrischen und anderen Eigenschaften und bedeutet gewöhnlich jene Materialien, die Verhältnisse des Maximalwertes zum Minimalwert (anisotropes Verhältnis) des Wärmeaus dehnungskoeffizienten, des spezifischen elektrischen Widerstandes, der mechanischen Festigkeit usw. im Bereich von 1,0 bis 1,1 haben.

Geeignete Aluminiumlegierungen als weiterer Bestandteil des Verbundmaterials der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise jene mit einem Gehalt von 0,2 bis 13 Gew.-% wenigstens eines Legierungselementes aus der Gruppe Kupfer, Magnesium, Mangan, Nickel, Silicium, Zink und dergleichen.

Die Verbundmaterialien nach der vorliegenden Erfindung haben eine Struktur, in welcher die Aluminiumlegierung fest, dicht und beständig in die Poren der isotropen Graphitmatrix eingefüllt ist. Eine solche Struktur kann niemals durch einfache Vereinigung der Graphitmatrix mit einer Aluminiumlegierung durch Vermischen, Verbinden durch Gießen oder dergleichen erhalten werden.

Für das Verbundmaterial nach der vorliegenden Erfindung ist es wesentlich, daß die Porosität höchstens 10% ist, der Graphitgehalt im Bereich von 60 bis 95 Vol.-% liegt und somit der Aluminiumlegierungsgehalt im Bereich von 5 bis 40 Vol.-% liegt.

Ein Graphitgehalt von weniger als 60% führt nicht zu einer wirksamen Herabsetzung der scheinbaren Dichte und des Wärmeausdehnungskoeffizienten und zur Verbesserung der Hochtemperatur-Biegefestigkeit, während ein Graphitgehalt größer als 95% nicht dazu führt, daß man die Verbesserung durch Zugabe der Aluminiumlegierung erzeugt und die für Kolbenmateria lien erforderlichen mechanischen Eigenschaften ausreichend erhält.

Wenn die Porosität des Materials der vorliegenden Erfindung infolge ungenügender Durchtränkung der Poren der Graphitmatrix mit der Aluminiumlegierung 10% übersteigt, wird die mechanische Festigkeit des Produktes unzureichend. Vorzugsweise ist die Porosität höchstens 2,0% und am meisten bevorzugt 0%, doch ist eine Porosität bis zu 10% zulässig.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Verbundmaterials, bei dem man eine isotrope Graphitmatrix mit einer Porosität im Bereich von 5 bis 40% mit einer geschmolzenen Aluminiumlegierung unter einem Druck von wenigstens 100 kg/cm² durchtränkt.

Die Fig. 1 und 2 zeigen die Beziehung zwischen der Porosität der als Ausgangsmaterial verwendeten isotropen Graphitmatrix und verschiedener Eigenschaften des Produktver bundmaterials. Wie aus diesen Figuren ersichtlich ist, bewirkt eine Porosität der isotropen Graphitausgangsmatrix, die 40% übersteigt, eine Steigerung der scheinbaren Dichte und des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Produktes und gleichzeitig eine Abnahme der Hoch temperatur-Biegefestigkeit infolge einer übermäßigen Durchtränkung mit der Aluminiumlegierung.

Umgekehrt ergibt eine Porosität der Graphitmatrix geringer als 5% eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Produktes, insbesondere eine Abnahme der Festigkeit und Härte wegen unzureichender Durchtränkung mit der Aluminiumlegierung.

Eine Pororität der Ausgangsmatrix im Bereich von 8 bis 25% ist bevorzugt, um ein günstiges Produkt zu bekommen.

Die als Ausgangsmatrix in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendete isotrope Graphitmatrix kann beispielsweise nach dem in Nuclear Graphite, 1962, Academic Press, Seite 32 beschriebenen Verfahren hergestellt werden, indem man ein geknetetes Gemisch von Kokspulver und Teerpech pulverisiert, die resultierenden Teilchen zu einem vorbestimmten Formling formt und den Formling karbonisiert, indem man brennt und anschließend graphitiert, während man die Größe der Teilchen, die Formbedingungen und die Graphitierbedingungen steuert.

Die Porositäten der Ausgangsgraphitmatrix und des Produktverbundmaterials können leicht nach der Archimedes-Methode gemessen werden. Der Volumenanteil des Graphits in dem Produkt nach der vorliegenden Erfindung kann leicht durch Messung der Porosität und der scheinbaren Dichte der Ausgangsgraphitmatrix sowie der scheinbaren Dichte des Produktes nach der Archimedes-Methode bestimmt werden.

Die Imprägnierbehandlung unter Druck der isotropen Ausgangsgraphitmatrix in dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wird durch Eintauchen der Graphitmatrix in eine geschmolzene, auf einer Temperatur von 650 bis 900°C gehaltene Aluminiumlegierung und Unterdruckhalten des Ganzen unter Gasdruck oder durch Druckgußmittel für die Schmelze durchgeführt. Es ist bevorzugt, die isotrope Graphitmatrix zu einer für den erwünschten Kolben geeigneten vorbestimmten Form zu verarbeiten und sie auf eine Temperatur nahe derjenigen der zu verwendenden geschmolzenen Aluminiumlegierung vor dem Eintauchen in ein Vakuum oder in eine Inertgasatmosphäre vorzuerhitzen. Der Druck bei der Imprägnierung muß 100 kg/cm² oder höher sein, da ein niedrigerer Druck als dieser nicht zu einer erfolgreichen Imprägnierung führt.

Nach der Imprägnierbehandlung wird die isotrope Graphitmatrix aus der geschmolzenen Aluminiumlegierung genommen, man läßt sie abkühlen, und gegebenenfalls wird auf der Oberfläche des Graphits anhaftende überschüssige oder unnötige Aluminiumlegierung durch maschinelle Behandlung entfernt, um das erwünschte Material zu liefern.

Der Verbundwerkstoff nach der vorliegenden Erfindung umfaßt die isotrope Graphitmatrix als eine Hauptkomponente und als andere Komponente 5 bis 40 Vol.-% der Aluminiumlegierung, die dicht, fest und stabil und gleichmäßig in die Poren der Graphitmatrix unter Bildung einer Verbundstruktur eingeführt ist.

In dem Verbundmaterial der vorliegenden Erfindung ergeben 60 bis 95 Vol.-% der isotropen Graphitmatrix gut die eigenen Eigenschaften desselben, nämlich niedrige Dichte, niedrige Wärmeausdehnung und eine vorteilhafte Hochtemperatur-Biegefestigkeit. Die in die Poren durch Imprägnierung eingeführte Aluminiumlegierung funktioniert so, daß sie die Graphitmatrix verstärkt und die mechanischen Eigenschaften des Verbundmaterials auf einen hohen Wert verbessert. Diese vereinigten Eigenschaften wirken synergistisch so, daß sie einen Verbundwerkstoff mit gut abgeglichenen Leistungen liefern, wie sie für einen Werkstoff für Kolben erforderlich sind, wie leichtes Gewicht, niedrige Wärmeausdehnung, ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, Zähigkeit und gute Schmierung.

Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann ein für Kolben geeignetes Material, das leichtes Gewicht, niedrige Wärmeausdehnung und ausgezeichnete Festigkeit hat, durch ein einfaches Verfahren erhalten werden, indem man eine isotrope Graphitmatrix mit einer Porosität von 5 bis 40% mit einer geschmolzenen Aluminiumlegierung unter einem Druck imprägniert. So sind die nach dem vorliegenden Verfahren erzeugten Verbundwerkstoffe äußerst brauchbar als ein Material für Kolben, die für die Verwendung in Verbrennungsmotoren mit hoher Beladung bestimmt sind, welche für einen niedrigen Brennstoffverbrauch, hohe Leistung, geringes Geräusch usw. erforderlich sind.

Nun wird die Erfindung weiter im einzelnen unter Bezugnahme auf die Beispiele beschrieben.

Beispiel 1 und Vergleichsbeispiele 1 und 2

Eine isotrope Graphitmatrix mit einer scheinbaren Dichte von 1,85 g/cm³ und einer Porosität von 18,1 Vol.-% (Tokai Carbon, G 347) wurde zu einer Säule mit 80 mm Durchmesser und 100 mm Länge verarbeitet und als Ausgangsmatrix verwendet. Diese Säule wurde dann in einem Vakuum auf 700°C vorerhitzt und in eine geschmolzene Aluminiumlegierung (AC 8 A) eingetaucht, die in einem dichtverschlossenen System auf 700°C gehalten wurde. Anschließend wurde Argongas in das System eingeführt, bis der Druck 110 kg/cm² erreichte, und eine Imprägnierung wurde während 5 min durchgeführt.

Nach der Imprägnierung wurde die Matrix aus der geschmolzenen Aluminiumlegierung entfernt, und man ließ sie abkühlen, um einen Verbundwerkstoff zu bekommen.

Der Graphitgehalt als Volumenanteil in dem so erhaltenen Verbundmaterial war 81,9%, berechnet aus der scheinbaren Dichte, gemessen nach der Archimedes-Methode.

Die Querschnittsstruktur des Verbundwerkstoffes wurde unter einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) geprüft, und es wurde bestätigt, daß die Poren der Graphitmatrix gleichmäßig mit der Aluminiumlegierung bis zu den Mittelteilen der betreffenden Porenstrukturen gefüllt waren. Fünf Teststücke mit 10 mm Durchmesser und 60 mm Länge wurden durch Ausschneiden aus dem Verbundmaterial für die Axialrichtung bzw. für die Radialrichtung hergestellt. Die scheinbare Dichte und die Porosität dieser Teststücke wurden unter Verwendung der Archimedes-Methode gemessen, und der Wärmeausdehnungskoeffizient (50 bis 300°C) wurde durch Vergleich mit Quarz gemessen. Die Biegefestigkeit bei gewöhnlicher Temperatur und erhöhter Temperatur (300°C) wurde unter Verwendung des Dreipunktbiegetests mit 50 mm Spanne und einer Ge schwindigkeit von 0,5 mm/min bestimmt.

Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 zusammen mit den Werten der isotropen Graphitausgangs matrix (Vergleichsbeispiel 1) und jenen der Aluminiumlegierung (Vergleichsbeispiel 2) gezeigt.

Tabelle 1

Wie aus den Ergebnissen, die in Tabelle 1 gezeigt sind, klar ersichtlich ist, besitzt das Verbundmaterial des Beispiels 1 zufriedenstellende Eigenschaften, wie für Materialien für Kolben erforderlich, wobei ein vorteilhafter Abgleich erhalten wird, indem die scheinbare Dichte und insbesondere der Wärmeausdehnungskoeffizient im Vergleich mit jenen der Aluminiumlegierung im Vergleichsbeispiel 2 und die Biegefestigkeiten sowohl bei gewöhnlicher Temperatur als auch bei erhöhter Temperatur stark im Vergleich mit jenen der Ausgangsgraphitmatrix verbessert werden.

Beispiele 2 bis 5 und Vergleichsbeispiele 3 bis 5

In gleicher Weise wie in Beispiel 1 wurden Verbundwerkstoffe jeweils mit unterschiedlichem Volumenanteil und unterschiedlicher Porosität hergestellt, indem die Imprägnierbedingungen variiert wurden, wobei aber die gleiche Aluminiumlegierung wie im Beispiel 1 benutzt wurde.

Die Eigenschaften der resultierenden Verbundwerkstoffe wurden in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 bestimmt, und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammen mit jenen des Verbundwerk stoffes gezeigt, der außerhalb des Erfindungsgedankens fällt (Vergleichsbeispiele 3 bis 5).

Wie aus den Ergebnissen, die in Tabelle 2 gezeigt sind, klar hervorgeht, haben die Verbundwerk stoffe, die in den Beispielen 2 bis 5 erhalten wurden und die Zusammensetzungserfordernisse nach der vorliegenden Erfindung erfüllen, geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten und ausgezeichnete Biegefestigkeit sowohl bei gewöhnlicher als auch bei erhöhter Temperatur. Im Gegensatz dazu zeigen die Verbundwerkstoffe, die in den Vergleichsbeispielen 3 bis 5 erhalten wurden und nicht den Erfordernissen der vorliegenden Erfindung entsprechen, keine gut abgeglichenen Eigenschaften, die für Materialien für Kolben erforderlich sind.

Beispiel 6

Dieses Beispiel erläutert die Wirkungen der Porosität der isotropen Ausgangsgraphitmatrix auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten, die scheinbare Dichte und die Hochtemperatur-Biegefestigkeit des Produktes.

Isotrope Graphitteststücke mit 80 mm Durchmesser und 100 mm Länge und jeweils mit voneinander abweichender Porosität wurden in einer Argonatmosphäre auf 650°C vorerhitzt und in eine Form gegeben. Unmittelbar danach wurde eine auf 800°C gehaltene Aluminiumlegierung (AC 8 A) in die Form gegossen, um die Teststücke darin unterzutauchen. Sodann wurde die gesamte Form einem Druck von 500 kg/cm² während 2 min ausgesetzt; dann ließ man sie abkühlen. Die auf der Oberfläche des Verbundwerkstoffes anhaftende überschüssige Alumini umlegierung wurde maschinell entfernt, und danach wurden verschiedene Eigenschaften des imprägnierten Graphits in gleicher Weise wie im Beispiel 1 gemessen. Die Ergebnisse finden sich in den Fig. 1 und 2.

Fig. 1 zeigt, daß ein niedriger und fast konstanter Wärmeausdehnungskoeffizient für den Verbundwerkstoff erhalten wird, der ausgehend von einer Matrix mit einer Porosität im Bereich von 5 bis 40% hergestellt wurde, doch neigt der Koeffizient zum abrupten Anstieg, wenn die Porosität der Matrix 40% übersteigt.

Fig. 2 zeigt, daß die Hochtemperatur-Biegefestigkeit für die Verbundwerkstoffe relativ groß ist, die ausgehend von einer Matrix mit einer Porosität im Bereich von 5 bis 40% hergestellt wurden, und daß die scheinbare Dichte des Verbundmaterials zusammen mit einem Anstieg der Porosität der Ausgangsgraphitmatrix rasch ansteigt, aber in einem annehmbaren Bereich mit leichtem Gewicht bleibt, wenn man von einer Matrix mit einer Porosität im Bereich von 5 bis 40% ausgeht.

Claims

1. Verbundmaterial, das als ein Werkstoff für Kolben brauchbar ist und eine Porosität im Bereich von höchstens 10% hat, gekennzeichnet durch 60 bis 95 Vol.-% einer isotropen Graphitmatrix, deren Poren mit einer Aluminiumlegierung durchtränkt sind.

2. Verbundmaterial nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Porosität von höchstens 2,0%.

3. Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials mit 60 bis 95 Vol.-% einer isotropen Graphitmatrix und mit einer Porosität von höchstens 10%, dadurch gekennzeichnet, daß man eine isotrope Graphitmatrix mit einer Porosität im Bereich von 5 bis 40% mit einer geschmolzenen Aluminiumlegierung unter einem Druck von wenigstens 100 kg/cm² durchtränkt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man eine isotrope Graphitmatrix mit einer Porosität im Bereich von 8 bis 25% verwendet.