DE69206920T2

DE69206920T2 - Untereutektische Aluminium-Silizium-Legierung mit Zusätzen von Wismut und Zinn

Info

Publication number: DE69206920T2
Application number: DE69206920T
Authority: DE
Inventors: Muftau Masud Alabi
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 1991-07-22
Filing date: 1992-06-29
Publication date: 1996-05-23
Anticipated expiration: 2012-06-30
Also published as: DE69206920D1; US5122208A; EP0528454A1; EP0528454B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen bei Raumtemperatur formbare abnutzungsbeständige Aluminium- Legierungen wie Aluminium-Silicium-Legierungen, insbesondere diejenigen Legierungen, die in Automobilanwendungen verwendet werden.
Klimaanlagensysteme werden routinemäßig in Automobilen und anderen Fahrzeugen verwendet, um in der Fahrgastzelle angenehme Bedingungen für die Insassen des Fahrzeugs zu schaffen. Bei Außentemperaturen oberhalb von etwa 21,1ºC (70ºF) ist es schwierig, eine angenehme Temperatur in der Fahrgastzelle aufrecht zu erhalten ohne die Luft, die in die Fahrgastzelle geblasen wird, zuerst abzukühlen.
Typischerweise wird das Abkühlen der Luft dadurch bewirkt, daß zunächst ein geeignetes Kühlmittel wie die üblicherweise verwendeten Fluorkohlenstoffe (die als Freon bekannt sind) oder andere alternative Kühlmittel komprimiert werden. Innerhalb eines Automobils komprimiert der von der Maschine betriebene Kompressor das verdampfte Kühlmittel, wodurch die Temperatur des Kühlmittels erheblich gesteigert wird. Das Kühlmittel strömt dann in einen Kondensator in dem es abgekühlt und in den flüssigen Zustand zurückgeführt wird; so wird die Hitze, die dem Kühlmittel in dem Kompressor übertragen wurde, aus dem System entfernt. Das abgekühlte flüssige Kühlmittel wird dann durch ein Expansionsventil in einen Verdampfer eingesprüht, in dem es wieder verdampft wird. Die zur Verdampfung des Kühlmittels erforderliche Verdampfungswärme wird aus der einströmenden Außenluft abgezogen, die um den Verdampfer geblasen wird. Jegliche überschüssige Feuchtigkeit, die in der einströmenden Luft enthalten ist, wird als Kondensat auf dem Verdampfer entfernt, wodurch die einströmende Luft auch getrocknet wird. Die gekühlte trockene Luft tritt dann in die Fahrgastzelle des Fahrzeugs ein.
Die Materialien und Komponenten innerhalb des Klimaanlagensystems müssen dazu in der Lage sein, sie extrem beanspruchende Bedingungen auszuhalten, insbesondere die zur Bildung der Komponenten innerhalb des von der Maschine betriebenen Kompressors verwendeten Materialien. Der Kompressor enthält viele ineinandergreifende Komponenten, die sich während des Betriebs des Klimaanlagensystems kontinuierlich aneinander abnutzen, während sie wegen des komprimierten Kühlmittels auch erheblichen Drücken unterworfen sind. Innerhalb des gesamten Kompressors werden an diesen Lagerflächen, an denen Reibung auftritt, geeignete Schmiermittel bereitgestellt, um eine übermäßige Abnutzung und Verschleiß zwischen den ineinandergreifenden Materialien zu verhindern. In der Vergangenheit wurde üblicherweise ein Schmiermittel, das in dem Kühlmittel löslich ist, vor der Verwendung direkt mit dem Kühlmittel bei Beladung des Kompressors mit dem druckbeaufschlagten Kühlmittel zugegeben. Da herkömmliche Schmiermittel in dem Kühlmittel löslich waren, bewegte sich das Schmiermittel daher innerhalb des Kompressors frei mit dem Kühlmittel, wodurch dort Schmierung bereitgestellt wurde, wo sie zwischen den ineinandergreifenden Komponenten an ihren Lagerflächen am stärksten benötigt wurde.
Aufgrund von Bedenken bezüglich der Umwelt wurde die Verwendung von gegenwärtigen Kühlmitteln auf Fluorkohlenstoffbasis beendet. Alternative Kühlmittel, die die Schädigung der Umwelt verringern, sind untersucht worden, wobei ein 1,1,1,2-Tetrafluorethan-Kühlmittel, das als R134A bekannt ist, ein wahrscheinlicher Ersatzstoff ist. Unvorteilhafterweise sind übliche Schmiermittel, die bisher (und erfolgreich) mit den Kühlmitteln auf Fluorkohlenstoffbasis verwendet worden sind, nicht in dem R134A Kühlmittel löslich. Das Schmiermittel bewegt sich daher nicht frei im gesamten Bereich der Kompressor-Komponenten und schmiert nicht die ineinandergreifenden Oberflächen, wie es der Fall war, als die Kühlmittel auf Fluorkohlenstoffbasis verwendet wurden. Dies hat zur Folge, daß die Lageroberflächen der ineinandergreifenden Komponenten beim Betrieb des Klimaanlagensystems mit dem neuen R134A-Kühlmittel nicht geschmiert werden und dementsprechend einen erheblich höheren Anfall von Abnutzung erfahren.
Mangels eines geeigneten Schmiermittels ist es daher notwendig, ein abnutzungsbeständiges Material bereitzustellen, das im wesentlichen selbstschmierend ist. Das gewünschte Material muß dazu in der Lage sein, nicht nur eine ausreichende Schmierwirkung bereitzustellen, sondern es muß auch ausreichend beständig sein, um Abnutzung und Verschleiß während des Betriebs des Kompressors zu widerstehen. Außerdem gibt es einige Anwendungen, bei denen das Material auch ausreichend nachgiebig sein muß, um die Bildung einer Komponente aus dem Material durch Kaltformen und andere Formverfahren zu vermöglichen. Es werden daher viele Anforderungen an dieses Material gestellt.
Spezieller weist ein Kompressor mit fünf Zylindern, der in verschiedenen Systemen von Automobilklimaanalagen verwendet wird, und der allgemein als ein "Taumelscheiben"-Kompressor bekannt ist, eine "Taumelscheibe" auf, die fünf mit Taschen versehene Bereiche aufweist. Wie in Figur 1 gezeigt, weist die "Taumelscheibe" 5 Hülsen auf und wird daher auch als Hülsenscheibe bezeichnet. Wie in Figuren 2 und 3 gezeigt, werden in jede der fünf Hülsen fünf hochfeste Stahlverbindungsstangen eingeführt. Das Material der Hülsenscheibe wird dann bei jeder Hülse um das kugelförmige Ende einer jeden Verbindungsstange herum kaltgeschmiedet.
Üblicherweise ist die Hülsenscheibe aus einer Aluminium- Silicium-Legierung wie A356 oder A357 hergestellt worden und hat mit den bisherigen Kühlmittel/Schmiermittelkombinationen recht zufriedenstellend funktioniert. Bei Abwesenheit eines geeigneten Schmiermittels zur Verwendung mit dem neuen Kühlmittel ist jedoch übermäßige Abnutzung und sogar Verschleiß zwischen den kugelförmigen Enden der Verbindungsstangen und den Aluminium-Silicium-Hülsen aufgetreten, wodurch das weichere Hülsenmaterial während der Verwendung wiederholt an der Verbindungsstange aus härterem Stahl anhaftet und sich daran anschweißt. Dies ist nicht überraschend, da die gute Abnutzungsbeständigkeit von herkömmlichen Aluminium-Silicium-Legierungen bekannt ist, aber nur, wenn Schmierung vorliegt, und da ihre harten Oberflächen erheblich beschädigt werden können, wenn keine Schmierung vorliegt.
Es wird daher eine Aluminium-Legierung zur Verwendung in dieser Hülsenscheibe benötigt, die die Abwesenheit eines Schmiermittels besonders gut verträgt und die dadurch gegenüber Verschleiß und Abnutzung beständig ist, daß sie einen gewissen Grad an Selbstschmierung aufweist. Zusätzlich muß die Aluminium-Legierung ausreichend formbar sein, um Kaltformen des Materials zu ermöglichen, jedoch ausreichend beständig sein, um das unter hohem Druck stehende Kühlmittel während des innerhalb einer üblichen Automobilumgebung auftretenden wiederholten thermischen Kreisprozesses zurückzuhalten.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine abnutzungsbeständige Aluminium-Legierung bereitzustellen, die insbesondere zur Verwendung als Abnutzungskomponente, wie eine Hülsenscheibe, in einer Kompressoreinheit eines Klimaanlagensystems eines Automobils geeignet ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, daß eine derartige Aluminium-Legierung ausreichend selbstschmierend ist, um den Verschleiß der Hülsenscheibe während der Verwendung selbst bei schlechter Schmierung zu verhindern.
Schließlich ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, daß eine derartige Aluminium-Legierung durch eine ausreichende Formbarkeit charakterisiert ist, um ein Kaltformen der aus der Legierung gebildeten Hülsenscheibe zu ermöglichen, jedoch ausreichend beständig ist, um ein unter Druck stehendes Kühlmittel zurückzuhalten.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden diese und andere Aufgaben und Vorteile wie folgt erreicht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine verbesserte Aluminium-Silicium-Legierung, wie in Anspruch 1 definiert bereitgestellt, die relativ erhebliche Zusätze von Zinn und Wismut enthält, die besonders abnutzungsbeständig und ausreichend selbstschmierend ist, so daß sie für die Verwendung als Abnutzungskomponente wie eine Hülsenscheibe geeignet ist, die innerhalb einer Kompressoreinheit eines Klimaanlagensystems eines Automobils Lagerelemente aufnimmt. Die verbesserte Aluminium-Legierung minimiert selbst bei Abwesenheit zusätzlicher Schmiermittel die Abnutzung und verringert den Verschleiß der Hülsenscheibe während der Benutzung. Außerdem ist die verbesserte Aluminium-Legierung auch durch eine gute Festigkeit und ausreichende Formbarkeit charakterisiert, so daß Kaltformen der aus der Legierung gebildeten Hülsenscheibe möglich ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der abnutzungsbeständigen Aluminium-Legierung werden in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 6 beschrieben. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bildung der beanspruchten abnutzungsbeständigen Aluminium-Legierung wie in den Ansprüchen 7 und 8 definiert.
Die abnutzungsbeständige Aluminium-Legierung der vorliegenden Erfindung ist durch die folgende Elementarzusammensetzung gekennzeichnet, wobei die Prozentsätze Gewichtsprozente sind: von 7 bis 11 % Silicium, wobei 7 bis 9 % am stärksten bevorzugt sind; von 1/2 bis 3 % Wismut, wobei 1 bis 2 % am stärksten bevorzugt sind; von 1/2 bis 3 % Zinn, wobei 1 bis 2 % am stärksten bevorzugt sind; und von 0,3 bis 0,6 % Magnesium, wobei 0,45 bis 0,6 % am stärksten bevorzugt sind. Zusätzlich besteht die bevorzugte Aluminium-Legierung aus bis zu 0,2 % Kupfer; bis zu 0,2 % Eisen; bis zu 0,1 % Mangan; bis zu 0,1 % Zink; und gegebenenfalls zwischen 0,005 und 0,015 % Phosphor, wobei der Rest der Legierung Aluminium ist.
Ein besonders bevorzugtes Merkmal der Aluminium-Silicium- Legierung der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die relativ hohen Zusätze an Zinn und Wismut mit den anderen Elementzusätzen zusammenwirken, so daß eine Oberfläche ausreichend geringer Spannung (oder mit Selbstschmierung) bereitgestellt wird, die die Abnutzungsbeständigkeitseigenschaften der Legierung verstärken. Die aus der bevorzugten Legierung gebildeten Hülsenscheiben weisen während der Verwendung erheblich verringerte Zeichen von Abnutzung auf, wenn die Verbindungsstangen in die Hülsen der Hülsenscheibe eingreifen. Außerdem ist die bevorzugte Aluminium-Legierung der vorliegenden Erfindung ausreichend formbar, so daß sie bei Raumtemperatur erfolgreich kaltgeformt werden kann. Außerdem ist die Festigkeit dieser bevorzugten Aluminium- Legierung ebenfalls ausreichend, um ein unter hohem Druck stehendes Kühlmittel selbst bei ausgedehnten thermischen Kreisläufen zurückzuhalten, die für eine Automobilumgebung charakteristisch sind.
Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung klar.
Die vorstehenden und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen klar, von denen:
Figur 1 eine Hülsenscheibe zeigt, die als "Taumelscheibe" bekannt ist, und fünf Hülsenbereiche aufweist, die aus der bevorzugten Aluminium-Legierung der vorliegenden Erfindung gebildet wurden, zur Verwendung in einer Klimaanlagenkompressoreinheit von Automobilen;
Figur 2 eine Querschnittsansicht eines in Figur 1 gezeigten Hülsenbereichs zeigt; und
Figur 3 die Hülsenscheibe von Figur 1 mit fünf in jede der fünf Hülsenbereiche eingefügte Verbindungsstangen aus hochfestem Stahl zeigt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine verbesserte Aluminium-Silicium-Legierung bereitgestellt, die relativ erhebliche Zusätze von Zinn und Wismut enthält, wie in den Ansprüchen 1 bis 6 definiert.
Die verbesserte Aluminium-Silicium-Legierung weist durch ausreichende Selbstschmierung gute Abnützungsbeständigkeit auf und ist daher zur Verwendung als Abnutzungskomponente besonders gut geeignet.
Wie in Figur 1 gezeigt, wird die bevorzugte Legierung der vorliegenden Erfindung dazu verwendet, eine Hülsenscheibe 10 zur Verwendung in einer Kompressoreinheit mit fünf Zylindern in einer Klimaanlage eines Automobils zu bilden. Die Hülsenscheibe 10 weist 5 mit Taschen versehene Bereiche in der Form von Hülsen 12 auf. Wie in Figur 3 gezeigt, nehmen die Hülsenbereiche 12 der Hülsenscheibe 10 fünf Verbindungsstangen 16 aus hochfestem Stahl auf. Ein kugelförmiges Ende 14 einer jeden der fünf Verbindungsstangen 16 greift in eine entsprechende Hülse 12 der Hülsenscheibe 10 ein wie in Figur 3 und querschnittsmäßig in Figur 2 gezeigt. Die Toleranzen der Abmessungen zwischen der Hülse 12 und dem kugelförmigen Ende 14 der Verbindungsstange 16 betragen höchstens wenige Hundertstel eines Millimeters (wenige Tausendstel eines Inches). Die Verbindungsstangen 16 bewegen sich innerhalb der Hülsenbereiche 12 der Hülsenscheibe 10 hin und her und sind während des Betriebs der Kompressoreinheit der Klimaanlage eines Automobils dauernd hohen Drücken des Kühlmittels ausgesetzt. Das kugelförmige Ende 14 ist daher im wesentlichen ein Lagerelement, das in der Hülse 12 abgestützt wird. (Es muß festgestellt werden, daß, obwohl die Legierung der vorliegenden Erfindung für die Hülsenscheibe 10 verwendet werden soll, es vorhersehbar ist, daß diese Legierung in einer Vielzahl von verschiedenen Anwendungen verwendet werden könnte, wie denjenigen, die eine Abnutzungsbeständigkeit erfordern).
Die verbesserte Aluminium-Silicium-Legierung der vorliegenden Erfindung minimiert die Abnutzung und verringert den Verschleiß der Hülsenscheibe 10 während der Verwendung, selbst wenn sie nur schlecht geschmiert wird. Zusätzlich ist die verbesserte Aluminium-Legierung ausreichend formbar, so daß ein Kaltformen einer jeden der Hülsenbereiche 12 um das kugelförmige Ende 14 der entsprechenden Verbindungsstange 16 ermöglicht wird.
Insbesondere wird die selbstschmierende, abnutzungsbeständige Aluminium-Silicium-Legierung der vorliegenden Erfindung durch die in Tabelle I. gezeigte Elementarzusammensetzung gekennzeichnet, wobei sich die Prozentsätze auf Gewichtsprozent beziehen. Tabelle I. Rest
Insbesondere kann der Silicium (Si)-Gehalt dieser Aluminium-Silicium-Legierung von 7 bis 11 % variieren, um eine gute Abnutzungsbeständigkeit des Materials zu gewährleisten, wobei der Bereich von 7 bis 9 % am stärksten bevorzugt wird. Das Silicium innerhalb der Legierung reagiert mit dem Aluminium, um harte Aluminium/Silicium-Teilchen zu bilden, die die Abnutzungsbeständigkeit des Materials wie nachstehend in größerem Umfang diskutiert, verstärken.
Der Silicium-Gehalt der bevorzugten Aluminium-Silicium- Legierung sollte unterhalb von 12,3 % bleiben, welches der eutektische Punkt in dem Aluminium-Silicium-Phasendiagramm ist, wodurch die bevorzugte Legierung eine hypoeutektische Aluminium-Silicium-Legierung wird. Halten des Silicium- Anteils unter dem eutektischen Punkt gewährleistet, daß sich innerhalb der bevorzugten Legierung keine harten primären Siliciumteilchen bilden werden. Zusätzlich wird die Formbarkeit der Legierung verringert, wenn der Anteil an Silicium gesteigert wird, es ist daher wünschenswert, den hypoeutektischen Anteil von Silicium beizubehalten. Eine ausreichende Formbarkeit ist erforderlich, so daß das Material der Hülsenscheibe 10 zur Verwendung in der Kompressoreinheit des Klimaanlagensystems kalt geformt werden kann. In der bevorzugten Legierung ist die Anwesenheit von primären Siliciumteilchen daher nicht wünschenswert und der Silicium-Anteil wird daher unterhalb des eutektischen Punktes gehalten, um so zu gewährleisten, daß deren Bildung nicht auftritt, als auch, um einen ausreichenden Grad an Formbarkeit zu gewährleisten.
Der Wismut (Bi)-Gehalt der Aluminium-Silicium-Legierung kann von einem 1/2 % bis zu 3 % variieren, wobei ein Bereich von 1 bis 2 % bevorzugt wird. Es ist festgestellt worden, daß die Anwesenheit von Wismut in der Legierung dadurch die Schmierfähigkeit der Legierung erhöht, daß es im wesentlichen als elementares Wismut in der Legierung verbleibt. Das elementare Wismut verringert den Reibungskoeffizienten der Lageroberflächen. Obwohl die Schmierfähigkeit der Legierung durch das Wismut gesteigert wird, und es daher scheinen würde, daß eine größe Menge wünschenswert ist, muß auch das Wismut begrenzt werden, da es dazu neigt, mit dem Magnesium unter Bildung von Mg&sub3;Bi&sub2; zu reagieren, was das Festigungspotential der Legierung verringert, da das Magnesium im allgemeinen die festigende Phase innerhalb der Legierung bereitstellt. Es ist daher wünschenswert, den Wismut-Gehalt innerhalb der bevorzugten Legierung auf 1 bis 2 Gew.-% zu beschränken. Dieser Bereich an Wismut stellt eine gesteigerte Schmierfähigkeit bereit, während er die Verringerung der Festigkeit der Legierung minimiert.
Der Zinn (Sn)-Gehalt der Aluminium-Silicium-Legierung kann auch von 1/2 bis 3 Gew.-% variieren, wobei 1 bis 2 % bevorzugt werden. Die Wirkung von Zinn innerhalb der Legierung ist der mit der Gegenwart von Wismut verbundenen, vorstehend diskutierten selbstschmierenden Wirkung sehr ähnlich. Das Zinn bleibt hauptsächlich als elementares Zinn in der Legierung und neigt dazu, die Schmierfähigkeit der Legierung durch Verringerung des Reibungskoeffizienten der abstützenden reibenden Oberflächen zu verringern. Etwas Zinn neigt jedoch ebenfalls dazu, mit dem Magnesium zu reagieren, wodurch das Festigungspotential der Legierung verringert wird. Der Bereich von 1 bis 2 Gew.-% Zinn scheint diese miteinander konkurrierenden Beziehungen zu optimieren und ist daher wiederum am stärksten bevorzugt.
Der Magnesium (Mg)-Gehalt reicht von 0,3 bis 0,6 Gew.-%, wobei ein Bereich von 0,45 bis 0,6 % bevorzugt wird. Das Magnesium reagiert während der Hitzebehandlung mit dem Aluminium, wodurch eine festigende Verbindung, Magnesiumsilicid (Mg&sub2;Si), gebildet wird, die ausfällt und an den Korngrenzen der Legierung vorkommt. Die bevorzugte Magnesium-Konzentration innerhalb der Legierung scheint für die in der Hülsenscheibe 10 verwendete Legierung ein angemessenes Maß an Festigkeit zu ergeben. In Abhängigkeit von der beabsichtigten Anwendung der Legierung können die Anforderungen an die Festigkeit jedoch variieren, was demgemäß eine Veränderung des Magnesium-Gehalts notwendig machen kann.
Der bevorzugte Kupfer (Cu)-Gehalt innerhalb der Aluminium- Legierung der vorliegenden Erfindung kann bis zu 0,25 % variieren, wobei 0,2 % bevorzugt werden. Es wird angenommen, daß das Kupfer die Alter-Härtungswirkung der Legierung durch homogenes Ausfällen von feinen Teilchen von Kupfer-Aluminid (CuAl&sub2;) in der gesamten Legierung verstärkt, die eine zusätzlich festigende Phase für die Legierung darstellt. Ein Überschuß von Kupfer kann jedoch dazu neigen, die Gesamteigenschaften der Legierung zu verschlechtern. Daher scheinen optimale Ergebnisse mit einer maximalen Kupfer-Konzentration von 0,2 Gew.-% erreicht zu werden.
Der Eisen (Fe)-Gehalt innerhalb der Aluminium-Legierung der vorliegenden Erfindung kann bis zu 0,2 % Eisen variieren. Die Formbarkeit der Legierung wird üblicherweise durch die Gegenwart von Eisen innerhalb der Legierung wegen der Bildung der Aluminium-Eisen-Silicium (Al-Fe-Si)-Verbindung verschlechtert. Es ist daher wünschenswert, den Eisen- Gehalt innerhalb der Legierung zu verringern, es ist jedoch schwierig, das Eisen innerhalb der Legierung vollständig zu entfernen, da dieser Gehalt von Eisen üblicherweise immer innerhalb des zur Bildung der Legierung verwendeten primären Aluminiummetalls vorhanden ist.
Zusätzlich können die Mangan (Mn)- und Zink (Zn)-Gehalte innerhalb der Legierung jeweils bis zu 0,15 Gew.-% variieren, wobei ein Maximum von 0,1 % für jedes Element bevorzugt wird. Diese Bereiche für das Mangan und das Zink sind wiederum normale Anteile, die in dem primären Aluminiummetall nach Verhütten von Bauxit vor dem Gießen der Legierung gefunden werden, und sie werden daher normalerweise in der Endlegierung vorkommen.
Gegebenenfalls kann die Legierung der vorliegenden Erfindung zwischen 0,005 und 0,015 Gew.-% Phosphor (P) enthalten, wobei eine Konzentration von 0,010 % bevorzugt wird. Diese Spurenmengen Phosphor werden dazu neigen, die Bildung von etwas primärem Silicium zu steigern oder auszulösen, wodurch die Abnutzungsbeständigkeit der Legierung gesteigert wird, ohne die Formbarkeit oder den Reibungskoeffizienten der Legierung in bedeutendem Umfang zu verringern. Der Phosphor könnte durch übliche Phosphorbehandlungsverfahren zu der Legierung gegeben werden, die die Zugabe einer phosphorhaltigen Verbindung wie einer Phosphor-Kupfer-Verbindung zu der Schmelze während des Gießens umfaßt, da es wegen seiner feinpulverigen Form schwierig ist, Phosphor direkt zu der Schmelze zu geben. Die Zugabe von Phosphor ist in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung des Materials und der konkurierenden Beziehung von Formbarkeit gegenüber Abnutzungsbeständigkeit fakultativ.
Es muß auch festgestellt werden, daß der Phosphor innerhalb der Legierung durch Spurenmengen Strontium ersetzt werden kann, wobei im wesentlichen die gleichen Ergebnisse erzielt werden. Das Strontium könnte eine Struktur bereitstellen, die eine etwas bessere Formbarkeit aufweist, aber es würde ebenfalls eine leichte Abnahme der Verschleiß- oder Abnutzungsbeständigkeit der Legierung beobachtet werden. In Abhängigkeit von der Anwendung kann dieses wünschenswert sein.
Der Rest der bevorzugten Legierung ist Aluminium.
Einige Proben der selbstschmierenden abnutzungsbeständigen Aluminium-Silicium-Legierung der vorliegenden Erfindung wurden unter Einsatz herkömmlicher Gießverfahren hergestellt. Die für die Legierungen wie vorstehend diskutiert am stärksten bevorzugte Zusammensetzung wird in Tabelle II. zusammengefaßt. Wiederum beziehen sich die Prozentsätze auf Gewichtsprozent. Tabelle II. Rest
Prüfstabproben der bevorzugten Legierung von Tabelle II. wurden unter Einsatz eines herkömmlichen T61 Aluminium- Legierung-Hitzebehandlungsprogramms so wärmebehandelt, wie durch die folgenden Schritte beschrieben, um die Zugfestigkeit und Formänderungsbeständigkeit der Legierung zu maximieren, während eine angemessene Dehnung beibehalten wurde. Es sollte festgestellt werden, daß das bei der Legierung zur Anwendung kommende spezielle Hitzebehandlungsprogramm in Abhängigkeit von der beabsichtigten Verwendung der Legierung variieren wird. Insbesondere würde jedes der T6 Aluminium-Hitzebehandlungsprogramme, bei denen die Legierung hauptsächlich in Lösung wärmebehandelt, gequencht und dann künstlich gealtert wird, wahrscheinlich für diese abnutzungsbeständigen Legierungen geeignet sein. Verschiedene andere Hitzebehandlungsprogramme wurden für die bevorzugte Legierung getestet, um die optimale Behandlung zu bestimmen. Die folgenden beiden T61-Hitzebehandlungsprogramme mit verschiedenen Lösungsbehandlungstemperaturen und Zeiträumen wurden bei zwei Sätzen der bevorzugten Legierung angewendet und ergaben optimale Eigenschaften der Legierung in der Umgebung der Hülsenscheibe 10.
Programm A bestand daraus, die Legierung zuerst etwa 12 h lang bis auf etwa 527ºC ± 2,5ºC (980ºF ± 5ºF) einer Lösungsbehandlung zu unterwerfen, um darin eine feste Lösung von Magnesiumsilicid (Mg&sub2;Si) zu bilden, in Wasser zu quenchen, dann die Legierung bei Raumtemperatur weniger als etwa 15 min lang natürlich zu altern und die Legierung schließlich bei etwa 154ºC ± 2,5ºC (310ºF ± 5ºF) etwa 8 h lang zu altern, um das Magnesiumsilicid in der gesamten Legierung auszufällen.
Programm B bestand daraus, die Legierung wiederum etwa 8 h lang bis zu etwa 516ºC ± 5ºC (960ºF ± 10ºF) einer Lösungsbehandlung zu unterwerfen, um die Magnesiumsilicid-Verbindung zu bilden, in Wasser zu quenchen, die Legierung dann weniger als etwa 15 min lang bei Raumtemperatur natürlich zu altern und schließlich die Legierung bei etwa 154ºC ± 2,5ºC (310ºF ± 5ºF) etwa 8 h lang künstlich zu altern, um das Magnesiumsilicid in der gesamten Legierung auszufällen.
Der Schritt der natürlichen Alterung ist nicht notwendig, kann jedoch wegen der praktischen Durchführung des Führens dieser Legierung von einer Bearbeitungsstation zu der nächsten während des Wärmebehandlungsverfahrens auftreten.
Beide Hitzebehandlungsprogramme ergaben die bevorzugte Legierung mit den gewünschten Eigenschaften zur Verwendung für die Hülsenscheibe. Es könnte daher jedes Hitzebehandlungsprogramm als auch vernünftige Veränderungen wie bei den Temperaturen, der Dauer oder dem Quench-Medium verwendet werden, wobei vernünftige Ergebnisse erwartet werden.
Nach der Hitzebehandlung wurden die bevorzugten Aluminium- Silicium-Legierungen der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von herkömmlichen metallographischen Verfahren untersucht. Die Aluminium-Silicium-Teilchen innerhalb der Legierungen der vorliegenden Erfindung sind durch azikuläre oder nadelförmige Form gekennzeichnet. Diese nadelförmigen Teilchen sind durch eine große Oberfläche oder ein großes Längenverhältnis gekennzeichnet, das die Abnutzungsbeständigkeit der Legierung verbessert. Die bevorzugten Legierungen der vorliegenden Erfindung enthalten diese nadelförmigen Teilchen in der gesamten Legierung. Es ist gefunden worden, daß die Anwesenheit dieser harten nadelförmigen Silicium-Teilchen in den gesamten Legierungen die Abnutzungs- und Verschleißbeständigkeitseigenschaften der Legierungen erheblich verbessern, insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Legierungen.
Die mechanischen Eigenschaften der bevorzugten Aluminium- Silicium-Legierungen, die gemäß Programm B hitzebehandelt worden sind, wurden bestimmt und sind wie folgt; eine durchschnittliche Formänderungsfestigkeit von etwa 186 158,5 kPa (27 000 Pfund pro Quadratinch (psi)) und eine durchschnittliche Zugstärke von etwa 227 527,1 kPa (33 000 psi) mit einem durchschnittlichen Ausdehnungswert von etwa 6 %. Die Stärke der Legierung reicht im Vergleich zu früheren herkömmlichen Materialien, die für die Hülsenscheibe 10 verwendet worden sind aus, um das unter hohem Druck stehende Kühlmittel während des Betriebs des Kompressors selbst bei wiederholter thermischer Kreislaufführung zurückzuhalten.
Die nach Standard-Brinell-Messungen (unter Verwendung einer Last von 500 kg und eines 10 mm Eindringkörpers für 30 s) bestimmte durchschnittliche Härte betrug etwa 69.
Die bevorzugte Legierung der vorliegenden Erfindung mit den Zinn- und Wismut-Zusätzen wurde gegenüber verschiedenen anderen herkömmlichen Aluminium-Legierungen untersucht, die zur Verwendung in einer belasteten Umgebung in Betracht gezogen werden können, die eine gute Abnutzungsbeständigkeit erforderlich macht. Die bevorzugte Legierung der vorliegenden Erfindung wies eine erheblich bessere Abnutzungs- und Verschleißbeständigkeit auf.
Es sollte letztlich festgestellt werden, daß die Hülsenbereiche 12 der aus der Legierung der vorliegenden Erfindung gebildeten Hülsenscheibe 10 bei Raumtemperatur um die kugelförmigen Enden 14 der entsprechenden Verbindungsstangen 16 kaltgeformt wurden, wobei die Ergebnisse dieses Formverfahrens mit bisher üblichen Materialien, die zu diesem Zweck verwendet worden sind, vergleichbar sind. Die Legierung der vorliegenden Erfindung ist daher im Vergleich zu üblichen Materialien ausreichend formbar.
Insgesamt weist die Aluminium-Silicium-Legierung der vorliegenden Erfindung viele vorteilhafte Eigenschaften auf. Die relativ hohen Zinn- und Wismut-Zusätze verbleiben im wesentlichen in ihrer Elementarform innerhalb der Legierung und wirken mit den anderen Bestandteilen zusammen, wodurch eine ausreichende Selbstschmierung und eine geringe Oberflächenreibung bereitgestellt wird, die wiederum die Abnützungsbeständigkeitseigenschaften der Legierung wie auch ihre maschinelle Bearbeitbarkeit verbessert. Die aus der bevorzugten Legierung geformten Hülsenscheiben 10 weisen während des Betriebs erheblich verbesserte Abnutzungs- und Verschleißbeständigkeit auf, wenn die Verbindungsstangen 16 in die Hülsen 12 der Hülsenscheibe 10 eingreifen. Zusätzlich ist die bevorzugte Aluminium-Legierung der vorliegenden Erfindung hinreichend formbar,so daß sie bei Raumtemperatur erfolgreich kaltgeformt werden kann. Die Festigkeit dieser bevorzugten Aluminium-Legierung reicht außerdem aus, um ein unter hohen Druck stehendes Kühlmittel zurückzuhalten.
Während die vorliegende Erfindung im Hinblick auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es daher offensichtlich, daß ein Fachmann andere Formen auswählen kann, wie durch Modifizieren der Aluminium- Legierung innerhalb der bevorzugten Bereiche der Element- Konzentrationen oder durch Veränderung der Verarbeitungsschritte oder durch Verwendung der Legierung in einer unterschiedlichen Umgebung. Demgemäß wird der Umfang der vorliegenden Erfindung nur durch den Umfang der nachfolgenden Patentansprüche beschränkt.
Die Anmelder besitzen eine ebenfalls anhängige europäische Patentanmeldung gleichen Datums, die europäische Patentanmeldung Nr. 92 201 909.6 = EP-A-0 528 453, die auf der USSN 733 540 basiert, die eine bei Raumtemperatur formbare, abriebsbeständige Aluminium-Legierung offenbart und beansprucht, die Silicium, Kupfer und Wismut enthält.

Claims

1. Bei Raumtemperatur formbare abnutzungsbeständige Aluminium-Legierung, die insbesondere zur Verwendung als eine Abnutzungsoberflächenkomponente in einer Klimaanlagenkompressoreinheit von Automobilen verwendet wird, wobei die abnutzungsbeständige Aluminium- Legierung (nach Gewicht) aus: 7 bis 11 % Silicium; 1/2 bis 3 % Wismut; 1/2 bis 3 % Zinn; 0,3 % bis 0,6 % Magnesium; höchstens 0,25 % Kupfer; höchstens 0,2 % Eisen; höchstens 0,15 % Mangan; höchstens 0,15 % Zink; gegebenenfalls 0,005 bis 0,015 % Phosphor besteht; wobei der Rest Aluminium und zufällige Verunreinigungen sind; wobei die Zinn- und Wismut-Zusätze im wesentlich in ihrer elementaren Form innerhalb der abnutzungsbeständigen Aluminium-Legierung verbleiben, wodurch der abnutzungsbeständigen Legierung Schmierfähigkeit verliehen wird; wobei das Magnesium und das Silicium miteinander in der Legierung in ausreichender Weise zusammenwirken, um eine Verstärkungskomponente der abnutzungsbeständigen Legierung zu bilden; und wobei die abnutzungsbeständige Legierung eine angemessene Formbarkeit aufweist, um die Formverfahren der Legierung bei Raumtemperatur zu ermöglichen, und ausreichende Selbstschmierung, um Abnutzung und Verschleiß einer Abnutzungsoberflächenkomponente zu verhindern, die aus der Legierung gebildet worden ist, selbst wenn die Komponente nur schlecht geschmiert wird.

2. Abnutzungsbeständige Aluminium-Legierung nach Anspruch 1, wobei das Silicium von 7 bis 9 Gew.-% der Legierung ausmacht.

3. Abnutzungsbeständige Aluminium-Legierung nach Anspruch 1, wobei das Wismut und das Zinn jeweils von 1 bis 2 Gew.-% der Legierung ausmachen.

4. Abnutzungsbeständige Aluminium-Legierung nach Anspruch 1, wobei das Magnesium von 0,45 bis 0,6 Gew.-% der Legierung ausmacht.

5. Abnutzungsbeständige Aluminium-Legierung nach Anspruch 1, wobei das Silicium mit dem Aluminium in der Legierung in ausreichender Weise zusammenwirkt, um eine Aluminium-Silicium-Phase zu bilden, die hauptsächlich in Nadelform vorliegt.

6. Abnutzungsbeständige Aluminium-Silicium-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die abnutzungsbeständige Aluminium-Legierung, wenn sie in einer Klimaanlageneinheit von Automobilen verwendet wird, die eine aus der abnutzungsbeständigen Legierung gebildete Hülsenscheibe aufweist, wobei die Hülsenscheibe eine Vielzahl von Hülsen aufweist, von denen jede ein entsprechendes Lagerelement aufnimmt, eine ausreichende Schmierfähigkeit aufweist, um selbst bei schlechter Schmierung Abnutzung und Verschleiß zwischen den Hülsen und den Lagerelementen zu verhindern, während sie auch eine ausreichende Formbarkeit aufweist, um ein Kaltformen einer jeden Hülse um jedes der entsprechenden Lagerelemente zu ermöglichen.

7. Verfahren zur Bildung einer abnutzungsbeständigen Aluminium-Silicium-Legierung nach Anspruch 6, das die Schritte umfaßt: Gießen einer homogenen Schmelze, um die abnutzungsbeständige Aluminium-Silicium-Legierung zu bilden; Lösungsbehandlung der Aluminium-Silicium- Legierung bei einer Temperatur und für einen Zeitraum, die ausreichen, um eine feste Lösung von Magnesiumsilicid darin zu bilden, und dann Quenchen der Legierung in Wasser; und Alterungshärtung der Aluminium- Silicium-Legierung bei einer Temperatur und für einen Zeitraum, die ausreichen, um Teilchen des Magnesiumsilicids in der Legierung auszufällen, und in einer Weise, daß das Silicium und das Aluminium miteinander zusammenwirken, wodurch eine primäre nadelförmige Aluminium-Silicium-Phase innerhalb der Legierung gebildet wird.

8. Verfahren zur Bildung einer abnutzungsbeständigen Aluminium-Silicium-Legierung nach Anspruch 7, wobei der Lösungsbehandlungsschritt bei einer Temperatur von 510ºC (950ºF) bis 529,5ºC (985ºF) stattfindet, und der Alterungshärtungsschritt bei einer Temperatur im Bereich von 151,5ºC (305ºF) bis 157ºC (315ºF) stattfindet.