DE4338751C2

DE4338751C2 - Verfahren zum Herstellen eines Aluminium-Verbundkolbens für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE4338751C2
Application number: DE19934338751
Authority: DE
Inventors: Masato Sasaki
Original assignee: Unisia Jecs Corp
Current assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Priority date: 1992-11-12
Filing date: 1993-11-12
Publication date: 1996-08-08
Anticipated expiration: 2013-11-13
Also published as: JPH06142889A; JP3078411B2; DE4338751A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Alu minium-Verbundkolbens für Brennkraftmaschinen der im Oberbe griff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Dem gattungsgemäßen Verfahren am nächsten kommt ein in der US- Patentschrift 4,643,241 beschriebenes Verfahren, bei welchem auf der Oberfläche eines Substrats aus Aluminium oder Alumini umlegierungen eine chemische Überzugsschicht aus Kaliumpen tafluoroaluminat (K₂AlF₅) dadurch erzeugt wird, daß das Substrat in eine Schmelze des Überzugsschichtmaterials getaucht und das Substrat mit der daran haftenden Beschichtung aus dem Überzugs material aus der Schmelze entnommen wird. Die derart erhaltene Oberfläche aus dem Überzugsmaterial wird abschließend mit einer Aluminiumschmelze in Berührung gebracht.

Die Festigkeit der nach diesem bekannten Verfahren erzielten Verbindung ist jedoch nicht zufriedenstellend, da das Verbinden durch einen Kontakt an der Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem Gußkörper erzielt wird.

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 der DE-AS 10 61 041 ist ein Verfahren zur Herstellung von Verbundgußteilen aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung und einem aus einer Metallegierung bestehenden Grundkörper be kannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird durch eine Tauchbe handlung mit dem anzugießenden Metall, z. B. Aluminium, eine Übergangsschicht, d. h. eine Diffusions- oder Bindungsschicht, gebildet, an welcher die beiden zusammengießenden Metalle be teiligt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe höhere Festigkeiten zwi schen dem Substrat und dem Gußkörper erreicht werden.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Der mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielbare tech nische Fortschritt ergibt sich in erster Linie daraus, daß dank des 20 bis 40 Gew.-% betragenden Magnesiumgehaltes der Be schichtungsmaterialschmelze die unerwünschte Bildung interme tallischer Verbindungen aus Aluminium und Magnesium unterdrückt wird.

Bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf die 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 eine als Substrat zu verwendende Ringnutzone, vereinfacht in Form eines Ringes 10 aus einem Aluminium- oder einem Aluminiumlegierungs-Gußteil. Alternativ kann diese ring förmige Kolbenringnutzone durch Walzen oder durch Schmieden hergestellt sein.

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.

Der Magnesiumgehalt der Beschichtungsmaterialschmelze beträgt 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 Desoxidation der Oberfläche des Rin ges 10 durchgeführt durch Eintauchen desselben in Natrium hydroxid oder Fluorwasserstoff. Vor diesem Desoxidations 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 desoxidierenden 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 desoxidierenden 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.

Tabelle

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

1. Verfahren zum Herstellen eines Aluminium-Verbundkolbens für Brennkraftmaschinen, bei welchem
eine Beschichtungsmaterialschmelze hergestellt wird;
ein Substrat (10, 22) aus Aluminium oder Aluminiumle gierungen in die Beschichtungsmaterialschmelze getaucht wird, bis sich eine Beschichtung auf dem Substrat ausge bildet hat;
das Substrat mit der daran haftenden Beschichtung aus der Beschichtungsmaterialschmelze entnommen wird,
das Substrat mit der daran haftenden Beschichtung in einer Form fixiert wird und
ein schmelzflüssiges Gußmaterial, welches aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen besteht, in die Form gegossen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Beschichtungsmaterialschmelze verwendet wird, welche 20 bis 40 Gew.-% Magnesium enthält, um die Bindung zwischen dem Substrat (10, 22) und dem Gießmaterial zu verbessern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat eine Kolbenringnut (22) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung des Substrates auf einer Temperatur gehalten wird, welche in einem vorbestimmten Bereich liegt, um die Interaktion mit dem schmelzflüssigen Gießma terial innerhalb der Form zu erleichtern.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich net, daß die Oberfläche des Substrates vor dem Eintauchen in das schmelzflüssige Material desoxidiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Desoxidationsschritt ferner ein Eintauchen des Substrates in Natriumhydroxid umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Desoxidationsschritt ferner ein Eintauchen des Substrates in Wasserstofffluorid umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung auf dem Substrat im Anschluß an den Eintauch schritt desoxidiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Desoxidation der Beschichtung ferner ein Sandstrahlen des Substrates mit der daran haftenden Beschichtung umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Desoxidieren der Beschichtung ferner ein Eintauchen des Substrates mit der daran haftenden Beschichtung in ein saures oder alkalisches Lösungsmittel umfaßt.