DE840920C

DE840920C - Verwendung von Aluminium-Legierungen fuer durch gleitende Reibung beanspruchte Maschinenteile

Info

Publication number: DE840920C
Application number: DEA238D
Authority: DE
Inventors: Eugen Dipl-Ing Dr-Ing Nitzsche
Original assignee: Aluminiumwerke Nuernberg GmbH
Current assignee: Aluminiumwerke Nuernberg GmbH
Priority date: 1942-04-09
Filing date: 1942-04-09
Publication date: 1952-06-09

Description

Verwendung von Aluminium-Legierungen für durch gleitende Reibung beanspruchte Maschinenteile Zur Herstellung von Kolben, Lagern und ähnlichen, durch gleitende Reibung beanspruchten Maschinenteilen aus Aluminium verwendet man bisher im allgemeinen Aluminiumlegierungen mit erheblichem Siliziumgehalt, der meist zwischen ii und 22°/0 liegt. Um die in der Praxis geforderten mechanischen Eigenschaften dieser Legierungen zu erreichen, ist jedoch ein Gehalt dieser Legierungen an gewissem Schwermetall, wie Kupfer, Nickel, Kobalt, Chrom, Mangan, notwendig, unter denen besonders solche Metalle wichtig sind, die in hohem Maße als Sparmetalle zu gelten haben.
Man hat daher angestrebt, Legierungen zu entwickeln, die eine Ersparnis besonders an Kupfer und Nickel gestatten, und hat vorzugsweise versucht, dieses Ziel durch eine weitere Erhöhung des Siliziumgehaltes zu erreichen. Solche hochsilizierten Aluminium-Legierungen weisen jedoch nicht unerhebliche Nachteile auf. Das Auflösen von größeren Mengen Si bei der Herstellung dieser meist stark übereutektischen' Aluminiurn-Silizium-Legierungen bedingt eine starke Überhitzung des Metallbades und dadurch eine erhöhte Gasaufnahme und starken Abbrand. Auch das Vergießen muß bei wesentlich höheren Temperaturen erfolgen. Da außerdem die spezifische Wärme der Legierungen mit dem Si-Gehalt steigt, erstarren die gegossenen Teile wesentlich langsamer als bei Anwendung von siliziumarmen Legierungen. Besonders bei den in eisernen Kokillen gegossenen Kolben, wozu eigentlich die übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen fast ausschließlich verwendet werden, bedeutet die verlangsamte. Erstarrung ein merkbares Absinken der Leistung pro Form und Stunde. Durch Auftreten von gröberen primären Si-Kristallen im Gefüge solcher Kolben, welche dazu noch die Neigung, zeigen, in Nestern auszukristallisieren, wird die Bearbeitbarkeit mit spanabhebenden Werkzeugen verschlechtert.
Auch die Wärmeleitfähigkeit solcher hochsilizierten Aluminiumkolben, namentlich ohne Schwermetallanteile, wird stark verringert, dabei darf nicht vergessen werden, daß nicht zuletzt wegen seiner guten Wärmeleitfähigkeit der Aluminiumkolben seine Verbreitung bei den Verbrennungskraftmaschinen verdankt. Schließlich ist auch bekannt, daß beim sog. Fressen der siliziumreichen Kolben eine starke Beschädigung der Zylinderlaufbahnen erfolgt. Da schließlich durch Ersatz der Schwermetallzusätze durch Silizium auch noch die Härte, Festigkeit und insbesondere die Dehnung verschlechtert werden, bleiben also von den wichtigen Werkstoffeigenschaften der Kolbenlegierungen 'nur noch die Wärmeausdehnungszahl und die Laufeigenschaften übrig, die durch die Si-Kompensation einigermaßen aufrechterhalten werden können.
Die Erfindung beschreitet einen anderen Weg; um unter weitgehender Einschränkung der Verwendung von Sparmetallen, insbesondere von Kupfer, Nickel oder Kobalt, zu Aluminium-Legierungen zu gelangen, deren Werkstoffeigenschaften die Verwendung für Kolben, Lager u. dgl. gestattet, ohne die oben dargelegten Nachteile der hochsilizierten Aluminium-Legierungen in Kauf nehmen zu müssen. Hierbei geht die Erfindung von der bekannten Gattung der Aluminium-Magnesium-Legierungen aus, welche in ihrer reinen Form ideale Sparstofflegierungen darstellen. Da jedoch die reine, binäre Aluminium-Magnesium-Legierung viele für Kolben, Lager u. dgl. wichtige Eigenschaften nur in ungenügendem Maße besitzt, kann sie als solche nicht verwendet werden. Überraschend hat sich aber gezeigt, daß schon durch verhältnismäßig geringe Zusätze solcher Metalle, die an sich zu den Sparmetallen gehören, ein für Kolben und ähnliche Maschinenteile sehr brauchbarer Werkstoff erhalten wird. Die Erfindung besteht demnach in der Verwendung von Aluminium-Legierungen aus 3 bis io°/°, vorzugsweise 4 bis 60/0 Magnesium, 0,5°/0 bis 30/0 Silizium, o,i bis weniger als i0/0 Kupfer, Rest handelsübliches Aluminium als Werkstoff für Kolben, Lager und ähnliche durch gleitende Reibung beanspruchte Maschinenteile, wobei das Kupfer teilweise durch die Metalle Nickel, Kobalt oder Mangan allein oder zu mehreren ersetzt sein kann.
Praktische Versuche mit Kolben ergaben, daß mit solchen Legierungen bereits bei einem Kupfergehalt von 0,2 bis o,50/0 ausgezeichnete Ergebnisse zu erzielen sind. In der folgenden Tabelle sind Vergleichswerte für drei Legierungen A, B und C gegenübergestellt, von denen die Legierung A eine gebräuchliche Kolbenlegierung mit etwa 13°/° Silizium, i°/° Magnesium, 20/0 Nickel, i0/0 Kupfer, Rest Aluminium darstellt, während es sich bei den Legierungen B und C' um solche nach der vorliegenden Erfindung handelt, die neben Aluminium nur etwa 50/0 Magnesium, i0/0 Silizium und etwas Kupfer enthalten. Der Kupfergehalt beträgt bei der Legierung B 0,25 °/o und bei der Legierung C 0,5 °/°. Die der vergleichenden Prüfung unterworfenen Kolben und Probestäbe waren folgender Wärmebehandlung unterworfen Legierung A: 2 Stunden bei 50o° C geglüht, in Wasser von 8o0 C abgeschreckt und 5 Stunden bei 24o° C angelassen.
Legierungen B und C: 3 Stunden bei 55o° C geglüht, in Wasser von 20° C abgeschreckt und 5 Stunden bei 24o° C angelassen.
Die Temperatur des Abschreckwassers ist ohne Einfluß auf die Festigkeitseigenschaften der Gußstücke aus den vorgenannten Legierungen. Man benutzt daher der Einfachheit halber im allgemeinen Wasser von Raumtemperatur. Bei Gußstücken aber, die infolge ihrer Gestalt zum Reißen neigen, kann die Rißgefahr beim Abschrecken durch Verwendung von warmem Wasser weitgehend behoben werden.

Es zeigt sich also, daß schon bei einem Zusatz von 0,25°/o Kupfer die Zugfestigkeit sowohl bei Raumtemperatur als auch bei höheren Temperaturen der Zugfestigkeit der eutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen entspricht und daß durch weiteren Kupferzusatz bis etwa 0,5% die Zugfestigkeit, besonders in der Wärme, erheblich höhere Werte annimmt. Andererseits liegen die Dehnungswerte bei den niedrig gekupferten Legierungen wesentlich höher als bei den eutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen, um dann bei den höher gekupferten Legierungen wieder etwa auf die Werte der Vergleichslegierung A zurückzugehen. Man hat es daher bei der neuen Legierung in der 'Hand, diese durch kleine Änderungen des an sich nur geringen Kupfergehaltes auf große Dehnungswerte oder auf höhere Zugfestigkeit hin auszubilden, wie es die Erfordernisse der Praxis von Fall zu Fall bedingen.
Zur weiteren Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere bei höheren Temperaturen, kann der Kupferanteil der Legierung teilweise auch durch Nickel, Kobalt oder Mangan ersetzt werden. Darüber hinaus kann zur Kornverfeinerung noch bis 0,3°/o Titan zugesetzt werden.
Die Brinellhärte, auch Warmhärte, erreicht bei den neuen Legierungen mit einem Kupfergehalt von etwa 0,5% die Brinellhärte der Vergleichslegierung A. Nach dem Dauerglühen bei 25o° C ist die Resthärte bei allen Legierungen praktisch die gleiche.
Die Erprobung von Kolben aus den Legierungen B und C in Brennkraftmaschinen ergab weitere Vorteile gegenüber stark siliziumhaltigen Legierungen. Nach mehrmaligem Kaltstart bei sehr tiefen Temperaturen unter mangelhafter Schmierung zeigten nur einzelne Kolben leichte Schmierschäden. Im Gegensatz zu Kolben aus hochsilizierten Aluminium-Legierungen, die unter solchen Umständen leicht fressen und erhebliche Beschädigungen der Zylinderlaufbahn verursachen, neigen die gemäß der Erfindung hergestellten Kolben nur zu einem weichen Schmieren, was aus dem anderen Aufbau des Gefüges verständlich ist.
Zwar sind Aluminium-Magnesium-Legierungen mit verschiedenen Zusatzmetallen schon bekannt und auch für Kolben empfohlen worden, man nahm jedoch bisher an, daß diese neben anderen Metallen auch mindestens 1,5 bis 3°/° Kupfer und i bis 20/0 Nickel enthalten müßten. Die Erfindung lehrt hingegen, daß auch ganz einfach aufgebaute Aluminium-Magnesium-Legierungen mit einem äußerst geringen Gehalt an Sparmetallen für Kolben, Lager u. dgl. sehr geeignet sind.
Da die gemäß der Erfindung ausgebildeten Legierungen sich gut kneten lassen, können diese auch für die Herstellung von gepreßten oder geschmiedeten Kolben und ähnlichen auf gleitende Reibung beanspruchten Maschinenteilen verwendet werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Verwendung von Aluminium-Legierungen aus 3 bis io°/°, vorzugsweise 4 bis 60/0 Magnesium, o,5 bis 301, Silizium, o, i bis weniger als i0/, Kupfer, Rest handelsübliches Aluminium als Werkstoff für Kolben, Lager und ähnliche, durch gleitende Reibung beanspruchte Maschinenteile.
2. Verwendung von Aluminium-Legierungen nach Anspruch i für den gleichen Zweck, wobei das Kupfer teilweise durch die Metalle Nickel, Kobalt oder Mangan allein oder zu mehreren ersetzt ist.
3. Verwendung einer Legierung aus etwa 50/0 Magnesium, etwa i0/0 Silizium, o,2 bis o,6°/0 Kupfer, Rest handelsübliches Aluminium für den in Anspruch i genannten Zweck.
4. Verwendung einer Legierung, die außer den in Anspruch i bis 3 angegebenen Bestandteilen unter entsprechender Verringerung des Aluminiumgehaltes noch bis zu o,30/0 Titan enthält, für den in Anspruch i genannten Zweck.
5. Verfahren zur Wärmebehandlung von Kolben, Lagern und ähnlichen durch gleitende Reibung beanspruchten Maschinenteilen aus Legierungen der in Anspruch i bis 4 genannten Zusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, daß diese Erzeugnisse bei etwa 55o° C geglüht, im warmen oder kalten Wasser abgeschreckt und dann bei etwa 24o° C angelassen werden. Angezogene Druckschriften Deutsche Patentschrift Nr. 518 256; schweizerische Patentschriften Nr. 112 245, 128 046, 152 948; französische Patentschrift Nr. 767 952; britische Patentschrift Nr. 367 831; »Werkstoffhandbuch Nichteisenmetalle«, 1936, Blatt 79, S. 1.