DE4338751A1 - Verfahren zur Herstellung eines Aluminium-Verbundmaterials - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines Aluminium-VerbundmaterialsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Aluminium-Verbundmaterials.
Aluminium oder eine Aluminiumlegierung wird nicht nur im
Flugzeugbau, sondern auch für verschiedene Arten von Tei
len verwendet wegen seines (ihres) geringen Gewichts und
seiner (ihrer) hohen Festigkeit. Es besteht eine wachsende
Nachfrage nach Aluminium-Gußkörpern (-Gußteilen), die auf
ihrer gesamten Oberfläche oder auf einem Teil derselben
spezifische Eigenschaften aufweisen. So ist es beispiels
weise erwünscht, eine Antikorrosions-Aluminiumschicht auf
der Oberfläche eines Aluminiumlegierungs-Gußkörpers zu
erzeugen, um ein Verbundmaterial mit
Antikorrosionseigenschaften herzustellen, welches das dem
Aluminiumlegierungs-Gußkörper eigene geringe Gewicht hat.
Um ein Substrat aus Aluminium oder einer Aluminiumlegie
rung an einem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Gußkör
per zu befestigen, war es bisher übliche Praxis, das Sub
strat in einer Form festzuhalten und das Substrat durch
das in die Form gegossene geschmolzene Material zu umge
ben. Eine Verbindung zwischen dem Substrat und dem Guß
körper war erkennbar, wenn die Temperatur des in die Form
gegossenen geschmolzenen Metalls übermäßig hoch war und
das Substrat einer ausreichenden Vorerwärmung unterzogen
wurde. Die Verbindung war jedoch nicht genügend fest und
ungleichmäßig. Diese unbefriedigende Verbindung ist darauf
zurückzuführen, daß ein auf der Oberfläche des Substrats
gebildeter dünner Oxidfilm verhindert, daß geschmolzenes
Metall die Oberfläche des Substrats erreicht.
Aus dem US-Patent Nr. 4 643 241 ist es bekannt, auf der
Oberfläche eines Substrats aus Aluminium eine chemische
Umwandlungsüberzugsschicht aus Kaliumpentafluoroaluminat
(K2AlF5) zu erzeugen und das Substrat mit einer geschmol
zenen Aluminiumlegierung in Kontakt zu bringen. Obgleich
die Details der chemischen Umwandlung noch nicht völlig
geklärt sind, wird angenommen, daß die chemische Umwand
lungsüberzugsschicht mit dem Oxidfilm auf der Oberfläche
des Substrats reagiert, wobei der Film von der Oberfläche
entfernt wird, so daß das geschmolzene Metall zu der Ober
fläche gelangen und mit der gesamten Oberfläche in Kontakt
kommen kann.
Die Festigkeit der nach diesem Verfahren erzielten Verbin
dung ist jedoch nicht zufriedenstellend, da das Verbinden
erzielt wird durch einen Kontakt an der Grenzfläche zwi
schen dem Gußkörper und dem Substrat.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren
zur Herstellung eines Aluminium-Verbundmaterials bereitzu
stellen, bei dem die Festigkeit einer Verbindung zwischen
einem Substrat aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
und einem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Gußkörper
(-Gußteil) ausreichend hoch ist.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung
eines Aluminium-Verbundmaterials, das die folgenden Stufen
umfaßt:
Herstellung einer geschmolzenen Aluminium-Magnesium-Le gierung;
Eintauchen eines Substrats aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Aluminium und Aluminiumle gierungen, in die geschmolzene Aluminium-Magnesium-Legie rung, bis sich eine Überzugsschicht aus der Aluminium-Ma gnesium-Legierung auf dem Substrat gebildet hat; und
Inkontaktbringen der Überzugsschicht des Substrats mit einem geschmolzenen Material, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Aluminium und Aluminiumlegierungen.
Herstellung einer geschmolzenen Aluminium-Magnesium-Le gierung;
Eintauchen eines Substrats aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Aluminium und Aluminiumle gierungen, in die geschmolzene Aluminium-Magnesium-Legie rung, bis sich eine Überzugsschicht aus der Aluminium-Ma gnesium-Legierung auf dem Substrat gebildet hat; und
Inkontaktbringen der Überzugsschicht des Substrats mit einem geschmolzenen Material, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Aluminium und Aluminiumlegierungen.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Substrats in
Form eines Ringes;
Fig. 2 ein Diagramm einer Form, in welcher der Ring
mittels eines Halters festgehalten wird; und
Fig. 3 eine fragmentarische Ansicht eines Kolbens, der
erfindungsgemäß hergestellt ist aus einem Alumi
niumlegierungs-Gußkörper, der mit einer Kolben
ring-Nut (einem Substrat) verbunden ist.
Die Fig. 1 zeigt als Substrat einen Ring 10 aus einem Alu
minium- oder einem Aluminiumlegierungs-Gußteil. Alternativ
kann er durch Walzen oder Schmieden hergestellt werden.
Die den Ring 10 bildende Aluminiumlegierung kann eines
oder eine Vielzahl der folgenden Elemente, d. h. Silicium
(Si), Kupfer (Cu), Mangan (Mn), Zink (Zn), Titan (Ti),
Chrom (Cr), Zirkonium (Zr) und Magnesium (Mg), enthalten.
Wenn eine erhöhte Abriebsbeständigkeit erwünscht ist,
sollten ein SiC-Pulver, ein Al2O3-Pulver, Al2O3-Fasern,
SiC-Fasern, ein Si-Pulver und C-Fasern zugegeben werden.
Eine Alternative ist ein Verbundmaterial, bei dem zwei un
terschiedliche Aluminium-Metalle miteinander verbunden
sind, beispielsweise ein Aluminiumlegierungs-Metall an dem
befestigt ist oder das beschichtet ist mit einem solchen
Aluminiumlegierungs-Metall, das einen um 10 bis 100°C
niedrigeren Schmelzpunkt als das andere Metall hat, als
eine eutektische Aluminium-Silicium (Al-Si)-Legierung, die
7 bis 12 Gew.-% Silicium (Si) enthält. Dieses Verbundmate
rial gewährleistet eine gute Verbindung mit dem geschmol
zenen Metall während des Gießens.
Der Ring 10 wird in eine geschmolzene Aluminium-Magnesium
(Al-Mg)-Legierung eingetaucht, bis die Überzugsschicht aus
der Aluminium-Magnesium-Legierung auf dem Ring 10 gebildet
worden ist.
Nachstehend wird die Herstellung einer geschmolzenen Alu
minium-Magnesium-Legierung erläutert.
Zur Herstellung einer geschmolzenen Aluminium-Magnesium-
Legierung wird ein Elektroofen verwendet, in dem ein Gra
phit-Schmelztiegel eingesetzt wird. Insbesondere wird das
feste Aluminium innerhalb des Schmelztiegels mit Wärme be
aufschlagt. Das Aluminium schmilzt und wird bei einer Tem
peratur von 730°C in geschmolzenem Zustand gehalten. Das
Magnesium wird bei einer Temperatur innerhalb des Berei
ches von 100 bis 200°C getrocknet. Das getrocknete Magne
sium wird zusammen mit einem Schwefelhexafluoridgas-Strom
dem geschmolzenen Aluminium in dem Schmelztiegel zuge
setzt. Die Verwendung von Schwefelhexafluorid-Gas dient
dazu, eine Oxidation von Magnesium zu vermeiden.
Der Schmelzpunkt der geschmolzenen Legierung in dem
Schmelztiegel variiert mit variierendem Magnesiumgehalt.
Zur Erläuterung der Beziehung sei bemerkt, daß der
Schmelzpunkt unter 500°C sinkt, wenn mehr als 30 Gew.-%
Magnesium darin enthalten sind, und er sinkt weiter auf
450°C, wenn der Magnesiumgehalt 40 Gew.-% übersteigt. Auf
diese Weise sinkt der Schmelzpunkt, wenn der Magnesiumge
halt steigt.
Vorzugsweise liegt der Magnesiumgehalt in dem Bereich von
20 bis 40 Gew.-%, um die Bildung einer intermetallischen
Verbindung aus Aluminium und Magnesium zu unterdrücken.
Der geeignete Schmelzpunkt der geschmolzenen Legierung va
riiert bei Veränderungen der Menge des in eine Gießform
gegossenen geschmolzenen Metalls, bei einer Änderung des
Materials, aus dem die Form hergestellt ist, und bei einer
Änderung des Gewichts des Substrats. Es ist darauf zu ach
ten, daß der Schmelzpunkt der geschmolzenen Legierung so
eingestellt wird, daß er unterhalb des Schmelzpunktes des
Substrats liegt. Außer Magnesium (Mg) gehören zu anderen
möglichen Zusätzen, um den Schmelzpunkt herabzusetzen, Si
licium (Si), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Chrom (Cr), Mangan
(Mn), Zink (Zn) und Eisen (Fe). Daneben können auch Titan
(Ti), Calcium (Ca), Strontium (Sr) und Antimon (Sb) zuge
geben werden.
Nachdem die geschmolzene Legierung in dem Schmelztiegel
hergestellt worden ist, wird die Temperatur der geschmol
zenen Legierung bei einem vorgegebenen Wert gehalten. Dann
wird der Ring 10 (ein Substrat) in die geschmolzene Legie
rung eingetaucht und für eine vorgegebene Zeitspanne darin
gehalten. Wenn bei einem Magnesiumgehalt von 28 Gew.-% die
geschmolzene Legierung bei 520°C gehalten wird, liegt die
Zeitdauer, für welche der Ring 10 bei diesem Wert gehalten
wird, in dem Bereich von 5 bis 20 min. Vor dem Eintauchen
wird vorzugsweise eine Deoxidation der Oberfläche des Rin
ges 10 durchgeführt durch Eintauchen desselben in Natrium
hydroxid oder Fluorwasserstoff. Vor diesem Deoxidations
verfahren wird vorzugsweise eine Entfettung der Oberfläche
des Rings mittels eines organischen Lösungsmittels wie
Trichlorethylen bewirkt.
Während des Eintauchens reagiert die Oberfläche des Ringes
10 mit dem Magnesium (Mg) der geschmolzenen Legierung un
ter Bildung einer Aluminium-Magnesium (Al-Mg)-Legierungs-
Schicht. Es ist zu berücksichtigen, daß sich das Aluminium
innerhalb des Ringes 10 und benachbart zu seiner Oberflä
che mit dem Magnesium innerhalb der geschmolzenen Legie
rung verbindet unter Bildung der Aluminium-Magnesium-Le
gierung, die keine definierte Grenzfläche gegenüber dem
Ring 10 ausbildet. Dies führt zu einer sehr festen Verbin
dung zwischen der Aluminium-Magnesium-Schicht und dem Ring
10. Die Festigkeit dieser Verbindung ist ersichtlich aus
der Tatsache, daß sich die Aluminium-Magnesium-Legierung
während der harten plastischen Bearbeitung, die nach dem
Eintauchen durchgeführt wurde, nicht ablöste.
Die Oberfläche der Aluminium-Magnesium-Schicht wird nach
dem Eintauchen oxidiert. Vorzugsweise wird der Sauerstof
film von der Oberfläche der Legierungsschicht entfernt.
Dies kann bewirkt werden durch Sandstrahlblasen oder Ein
tauchen der Oberfläche in ein Säure- oder Alkali-Lösungs
mittel. Dann wird der Ring 10 in einer deoxidierenden At
mosphäre, beispielsweise in Argon(Ar)- oder Stickstoff(N)-
Gas vorerwärmt. Die Temperatur, auf welche der Ring 10 er
hitzt werden soll, variiert mit dem Schmelzpunkt der Alu
minium-Magnesium-Schicht und sie liegt vorzugsweise in dem
Bereich von 150 bis 450°C. Es muß äußerst sorgfältig dar
auf geachtet werden, daß die Bildung eines Oxidfilms auf
der Oberfläche während des Vorerwärmens vermieden wird.
Das Vergießen wird durchgeführt, um die Oberfläche der
Aluminium-Magnesium-Schicht mit dem geschmolzenen Alumi
niumlegierungs-Gießmaterial in Kontakt zu bringen.
Als Gießmaterial kann Aluminium oder eine geeignete Alumi
niumlegierung verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform
wird eine Aluminiumlegierung AC8A (84,03% Al, 11,5% Si,
1,2% Cu, 1,4% Mg, 1,3% Ni, 0,4% Fe, 0,08% Zn, 0,09%
Mn) verwendet. Vorzugsweise wird das Vergießen in einer
deoxidierenden Atmosphäre durchgeführt, obgleich es auch
in einer Atmosphäre durchgeführt werden kann, die nur we
nig Sauerstoff enthält, oder sogar in der umgebenden Atmo
sphäre.
Die Fig. 2 zeigt eine Form 12, in welcher der Ring 10 mit
tels eines Halters 14 festgehalten wird. In diese Form 12
wird die geschmolzene Legierung gegossen. Die Temperatur
der geschmolzenen Legierung wird auf einen Wert von 720°C
eingestellt, der höher ist als der Schmelzpunkt der Alumi
nium-Magnesium (Al-Mg)-Legierungs-Schicht auf dem Ring 10.
Während des Vergießens nimmt die Aluminium-Magnesium (Al-
Mg)-Legierungs-Schicht auf dem Ring 10 Wärme aus dem ge
schmolzenen Metall auf und beginnt zu schmelzen, wobei sie
sich mit dem geschmolzenen Metall vereinigt unter Bildung
einer Legierungsverbindung.
Es wurden Versuche durchgeführt, um zu bestätigen, daß
eine Verbindung erzielt wurde, durch Vergießen bei ver
schiedenen Vorerwärmungstemperaturen, d. h. bei 180°C,
300°C, 350°C und 400°C.
Als geschmolzene Aluminiumlegierung wird AC8A verwendet.
Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle angegeben.
Die verwendeten Substrate haben die gleiche Gestalt wie
der in Fig. 1 dargestellte Ring 10 und sie werden auf die
gleiche Weise wie der Ring 10 in die Form eingesetzt, wie
in Fig. 2 dargestellt. Auf jedem der Substrate wird auf
die weiter oben beschriebene Weise eine Aluminium-Magne
sium (Al-Mg)-Legierungs-Schicht gebildet.
Es wurde ein Reibungszugtest mit jedem der vier Beispiele
durchgeführt und man erhielt zufriedenstellende Ergeb
nisse.
Die Fig. 3 zeigt einen Kolben 20, der erfindungsgemäß her
gestellt worden ist. In diesem Kolben 20 wird eine Kolben
ringnut 22 als Substrat verwendet und sie ist mit dem Alu
miniumlegierungs-Gußteil 24 fest verbunden.
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung eines Aluminium-Verbundma
terials, dadurch gekennzeichnet, daß es
die folgenden Stufen umfaßt:
Herstellung einer geschmolzenen Aluminium-Magnesium-Le gierung;
Eintauchen eines Substrats aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Aluminium und Aluminiumle gierungen, in die geschmolzene Aluminium-Magnesium-Legie rung, bis sich eine Überzugsschicht aus der Aluminium-Ma gnesium-Legierung auf dem Substrat gebildet hat; und
Inkontaktbringen der Überzugsschicht des Substrats mit einem geschmolzenen Material, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Aluminium und Aluminiumlegierungen.
Herstellung einer geschmolzenen Aluminium-Magnesium-Le gierung;
Eintauchen eines Substrats aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Aluminium und Aluminiumle gierungen, in die geschmolzene Aluminium-Magnesium-Legie rung, bis sich eine Überzugsschicht aus der Aluminium-Ma gnesium-Legierung auf dem Substrat gebildet hat; und
Inkontaktbringen der Überzugsschicht des Substrats mit einem geschmolzenen Material, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Aluminium und Aluminiumlegierungen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die geschmolzene Aluminium-Magnesium-Legierung 28
Gew.-% Magnesium (Mg) enthält und bei einer Temperatur von
520°C gehalten wird.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP04301450A JP3078411B2 (ja) | 1992-11-12 | 1992-11-12 | 複合アルミニウム部材の製造方法 |
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DE4338751A1 true DE4338751A1 (de) | 1994-05-19 |
DE4338751C2 DE4338751C2 (de) | 1996-08-08 |
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- 1992-11-12 JP JP04301450A patent/JP3078411B2/ja not_active Expired - Lifetime
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JPH06142889A (ja) | 1994-05-24 |
JP3078411B2 (ja) | 2000-08-21 |
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