DE4318193A1 - Material contg. 60-95 vol.% graphite plus aluminium@ alloy - used for piston mfr., obtd. by impregnation of graphite with molten alloy under high pressure - Google Patents
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Abstract
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.The present invention relates to a composite material that is lightweight, lightweight Has thermal expansion and has excellent mechanical properties and as a Piston material for an internal combustion engine is useful; the invention also relates also a process for making this material.
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. So far, an aluminum alloy based on Al-Si (for example JIS AC 8A and A 4032) has been used a relatively high silicon content for pistons of an internal combustion engine because of their lightness and their low coefficient of thermal expansion. But have higher performances recently for pistons of internal combustion engines, for example, low fuel consumption, high Performance and low noise required. Attempts to improve these properties have resulted however, an increase in the temperature and the number of revolutions of the internal combustion engines, which makes it difficult for the aluminum alloy piston material to do this Requirements met.
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.Graphite has inherent properties for use as a material for pistons are suitable, such as low density, low coefficient of thermal expansion, self-lubrication and maintain strength even at elevated temperatures, but it has serious Disadvantages because its mechanical properties are much worse than those of metallic materials are. Therefore, graphite alone could never be used as a material for pistons. So there is a need for materials that are suitable for pistons with improved properties.
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.The present inventors focused on the development of a suitable one for pistons Material that has advantageous properties that are inherent in graphite, without the affect mechanical properties.
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.Specifically, it is an object of the present invention to have a lightweight composite material with lower Thermal expansion and excellent mechanical properties to get that for Piston is suitable and includes graphite and an aluminum alloy. Another goal of The present invention is to provide a method for producing this composite material to get.
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.To achieve this object, the present invention relates to a composite material, which as a Material for pistons of an internal combustion engine is suitable and a porosity of at most 10% and that has 60 to 95 vol .-% of an isotropic graphite matrix and one of the pores thereof Matrix soaking aluminum alloy.
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.The present invention also relates to a method for producing a composite material which comprises 60 to 95% by volume of an isotropic graphite matrix and has a porosity of at most 10% by forming an isotropic graphite matrix with a porosity in the range from 5 to 40% below Pressure of at least 100 kg / cm 2 impregnated with a molten aluminum alloy.
Fig. 1 zeigt eine Veränderung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Produktverbundmateri als in bezug auf die Porosität der als Ausgangsmaterial verwendeten isotropen Graphitmatrix, und Fig. 1 is a change in the coefficient of thermal expansion of the Produktverbundmateri shows as, in relation to the porosity of the isotropic graphite matrix used as starting material and
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. Fig. 2 shows changes in the high-temperature bending strength and the apparent density of the product composite material with respect to the porosity of the isotropic graphite matrix used as the starting material.
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.The present invention provides a composite material that can be used as a material for pistons Internal combustion engine is suitable and 60 to 95 vol .-% of an isotropic graphite matrix and one Includes aluminum alloy, which is filled into the pores of the graphite matrix by impregnation and which mediates in this matrix in such a way that a desired composite material with a Porosity of not more than 10%, preferably less than 2%.
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.The isotropic graphite matrix as a primary component of the composite material of the present Invention shows isotropy in all directions of graphite in terms of mechanical, thermal, electrical and other properties and usually means those materials the ratio of the maximum value to the minimum value (anisotropic ratio) of the heat output expansion coefficient, specific electrical resistance, mechanical strength etc. in the range of 1.0 to 1.1.
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.Suitable aluminum alloys as a further component of the composite material of the present Invention are, for example, those with a content of 0.2 to 13% by weight of at least one Alloy element from the group of copper, magnesium, manganese, nickel, silicon, zinc and the like.
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.The composite materials according to the present invention have a structure in which the Aluminum alloy firmly, tightly and constantly filled in the pores of the isotropic graphite matrix is. Such a structure can never be simply merged with a graphite matrix Obtain aluminum alloy by mixing, joining by casting or the like will.
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.It is essential for the composite material according to the present invention that the porosity is at most 10%, the graphite content is in the range from 60 to 95% by volume and thus the Aluminum alloy content is in the range of 5 to 40 vol .-%.
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.A graphite content of less than 60% does not lead to an effective reduction in the apparent density and coefficient of thermal expansion and to improve the High temperature flexural strength, while a graphite content greater than 95% does not cause the improvement is made by adding the aluminum alloy and the one for piston material sufficient mechanical properties.
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.If the porosity of the material of the present invention is due to insufficient soak the pores of the graphite matrix with the aluminum alloy exceeds 10%, the mechanical Inadequate strength of the product. The porosity is preferably at most 2.0% and am most preferably 0%, but porosity up to 10% is permissible.
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.The present invention further relates to a method for producing the composite material described above, in which an isotropic graphite matrix with a porosity in the range from 5 to 40% is impregnated with a molten aluminum alloy under a pressure of at least 100 kg / cm 2 .
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. Figs. 1 and 2 show the relationship between the porosity of the isotropic graphite matrix used as starting material and various properties of the product stewardship composite materials. As can be seen from these figures, a porosity of the isotropic graphite starting matrix exceeding 40% causes an increase in the apparent density and thermal expansion coefficient of the product and at the same time a decrease in the high temperature bending strength due to excessive soaking with the aluminum alloy.
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.Conversely, a porosity of the graphite matrix less than 5% results in a deterioration of the mechanical properties of the product, especially a decrease in strength and Hardness due to insufficient impregnation with the aluminum alloy.
Eine Pororität der Ausgangsmatrix im Bereich von 8 bis 25% ist bevorzugt, um ein günstiges Produkt zu bekommen.A porority of the starting matrix in the range of 8 to 25% is preferred in order to be favorable To get product.
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.The isotropic used as the starting matrix in the process of the present invention Graphite matrix can be found, for example, in Nuclear Graphite, 1962, Academic Press, page 32 described processes can be prepared by using a kneaded mixture of Coke powder and tar pitch pulverized, the resulting particles to a predetermined Molding and carbonizing the molding by burning and then graphitizing, while considering the size of the particles, the molding conditions and the graphitizing conditions controls.
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. The porosity of the starting graphite matrix and the product composite material can easily increase measured using the Archimedes method. The volume fraction of graphite in the product according to the present invention can be easily measured by measuring the porosity and the apparent Density of the starting graphite matrix and the apparent density of the product according to the Archimedes method can be determined.
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.The impregnation treatment under pressure of the isotropic starting graphite matrix in the process according to the present invention is carried out by immersing the graphite matrix in a molten aluminum alloy kept at a temperature of 650 to 900 ° C and keeping the whole under pressure under gas pressure or by means of die casting for the melt. It is preferred to process the isotropic graphite matrix into a predetermined shape suitable for the desired piston and to preheat it to a temperature close to that of the molten aluminum alloy to be used before immersing it in a vacuum or in an inert gas atmosphere. The pressure during the impregnation must be 100 kg / cm 2 or higher, since a lower pressure than this does not lead to a successful impregnation.
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.After the impregnation treatment, the isotropic graphite matrix is made from the melted one Aluminum alloy taken, it is allowed to cool, and if necessary, on the Excess or unnecessary aluminum alloy adhered to the surface of the graphite machining removed to deliver the desired material.
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.The composite of the present invention comprises the isotropic graphite matrix as one Main component and as another component 5 to 40% by volume of the aluminum alloy, which is dense, firm and stable and even in the pores of the graphite matrix to form a composite structure is introduced.
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.In the composite material of the present invention, 60 to 95% by volume gives the isotropic Graphite matrix well its own properties, namely low density, low Thermal expansion and advantageous high-temperature bending strength. The in the pores Impregnation introduced aluminum alloy works so that it reinforces the graphite matrix and improves the mechanical properties of the composite material to a high value. These combined properties act synergistically to make a composite with good deliver balanced services as they are required for a material for pistons, such as light weight, low thermal expansion, excellent mechanical properties, Toughness and good lubrication.
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.According to the method of the present invention, a material suitable for pistons, the has light weight, low thermal expansion and excellent strength, through a simple process can be obtained by using an isotropic graphite matrix with a porosity from 5 to 40% impregnated with a molten aluminum alloy under pressure. So the composites produced by the present process are extremely useful as a material for pistons designed for use in high-load internal combustion engines Are intended for low fuel consumption, high performance, low noise etc. are required.
Nun wird die Erfindung weiter im einzelnen unter Bezugnahme auf die Beispiele beschrieben.The invention will now be described in more detail with reference to the examples.
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.An isotropic graphite matrix with an apparent density of 1.85 g / cm 3 and a porosity of 18.1% by volume (Tokai Carbon, G 347) was processed into a column with a diameter of 80 mm and a length of 100 mm and used as the starting matrix . This column was then preheated to 700 ° C in a vacuum and immersed in a molten aluminum alloy (AC 8 A) which was kept at 700 ° C in a tightly sealed system. Then, argon gas was introduced into the system until the pressure reached 110 kg / cm 2 , and impregnation was carried out for 5 minutes.
Nach der Imprägnierung wurde die Matrix aus der geschmolzenen Aluminiumlegierung entfernt, und man ließ sie abkühlen, um einen Verbundwerkstoff zu bekommen.After impregnation, the matrix was removed from the molten aluminum alloy, and allowed to cool to get a composite.
Der Graphitgehalt als Volumenanteil in dem so erhaltenen Verbundmaterial war 81,9%, berechnet aus der scheinbaren Dichte, gemessen nach der Archimedes-Methode.The graphite content as a volume fraction in the composite material thus obtained was 81.9% from the apparent density, measured according to the Archimedes method.
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.The cross-sectional structure of the composite was determined under a scanning electron microscope (SEM), and it was confirmed that the pores of the graphite matrix were uniform with the Aluminum alloy were filled up to the middle parts of the pore structures in question. five Test pieces with a diameter of 10 mm and a length of 60 mm were cut out of the Composite material made for the axial direction or for the radial direction. The apparent density and the porosity of these test pieces were determined using the Archimedes method was measured, and the coefficient of thermal expansion (50 to 300 ° C) was compared with Quartz measured. The bending strength at ordinary temperature and elevated temperature (300 ° C) was carried out using the three point bending test with 50 mm span and a Ge speed of 0.5 mm / min determined.
Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 zusammen mit den Werten der isotropen Graphitausgangs matrix (Vergleichsbeispiel 1) und jenen der Aluminiumlegierung (Vergleichsbeispiel 2) gezeigt. The results are in Table 1 along with the isotropic graphite output values matrix (Comparative Example 1) and those of the aluminum alloy (Comparative Example 2).
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.As can be clearly seen from the results shown in Table 1, this has Composite material of Example 1 has satisfactory properties as for materials for pistons required, an advantageous comparison being obtained by the apparent density and especially the coefficient of thermal expansion compared to that of the aluminum alloy in Comparative Example 2 and the bending strengths both at ordinary temperature and greatly improved at elevated temperature compared to that of the starting graphite matrix will.
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.In the same way as in Example 1, composite materials were in each case different Volume fraction and different porosity made by the impregnation conditions were varied, but using the same aluminum alloy as in Example 1.
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).The properties of the resulting composites were determined in the same way as in Example 1 was determined and the results are shown in Table 2 along with those of the composite Shown material that falls outside the inventive concept (Comparative Examples 3 to 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.As is clear from the results shown in Table 2, the composite has substances obtained in Examples 2 to 5 and the compositional requirements according to the present invention, low coefficient of thermal expansion and excellent flexural strength at both ordinary and elevated temperatures. in the In contrast, the composite materials obtained in Comparative Examples 3 to 5 show and do not meet the requirements of the present invention, none good balanced properties required for piston materials.
Dieses Beispiel erläutert die Wirkungen der Porosität der isotropen Ausgangsgraphitmatrix auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten, die scheinbare Dichte und die Hochtemperatur-Biegefestigkeit des Produktes.This example illustrates the effects of the porosity of the isotropic starting graphite matrix on the Coefficient of thermal expansion, the apparent density and the high temperature bending strength of the product.
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.Isotropic graphite test pieces with a diameter of 80 mm and a length of 100 mm and each with a different porosity were preheated to 650 ° C. in an argon atmosphere and placed in a mold. Immediately afterwards, an aluminum alloy (AC 8 A) kept at 800 ° C. was poured into the mold in order to immerse the test pieces therein. The entire mold was then subjected to a pressure of 500 kg / cm 2 for 2 minutes; then they were allowed to cool. The excess aluminum alloy adhering to the surface of the composite was removed by machine, and then various properties of the impregnated graphite were measured in the same manner as in Example 1. The results can be found in FIGS. 1 and 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. Figure 1 shows that a low and almost constant coefficient of thermal expansion is obtained for the composite made from a matrix with a porosity in the range of 5 to 40%, but the coefficient tends to increase abruptly when the porosity of the matrix 40 % exceeds.
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. Figure 2 shows that the high temperature flexural strength is relatively high for the composites made from a matrix with a porosity in the range of 5 to 40% and that the apparent density of the composite material along with an increase in the porosity of the starting graphite matrix increases rapidly but remains in an acceptable range of light weight if one assumes a matrix with a porosity in the range of 5 to 40%.
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