EP0712340B1 - Giesstechnisches verfahren zur herstellung eines bauteiles, insbesondere kolben, bestehend aus zwei unterschiedlichen werkstoffen - Google Patents

Giesstechnisches verfahren zur herstellung eines bauteiles, insbesondere kolben, bestehend aus zwei unterschiedlichen werkstoffen Download PDF

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EP0712340B1 EP94921574A EP94921574A EP0712340B1 EP 0712340 B1 EP0712340 B1 EP 0712340B1 EP 94921574 A EP94921574 A EP 94921574A EP 94921574 A EP94921574 A EP 94921574A EP 0712340 B1 EP0712340 B1 EP 0712340B1
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C6/00—Coating by casting molten material on the substrate
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0009—Cylinders, pistons
    • B22D19/0027—Cylinders, pistons pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/10—Pistons  having surface coverings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00—Metals
    • F05C2201/02—Light metals
    • F05C2201/021—Aluminium

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component consisting of two different materials according to the preamble of claim 1.
  • EP-OS 0 353 480 discloses a method for introducing a local reinforcement, consisting of an iron-based material, into an aluminum piston.
  • the component to be introduced is first coated on the surfaces to be contacted with aluminum with a material consisting of particles which is also oxidation-resistant at higher temperatures.
  • the method used for this is usually a spraying method, with flame spraying, plasma spraying or arc spraying being possible.
  • the part is then preheated, placed in a mold and cast with an aluminum alloy.
  • Spray layers are not built up from a homogeneous material, but from many individual, initially molten and then quickly solidified particles.
  • Another disadvantage is the limitation of the layer materials, which according to the invention must also be resistant to oxidation even at higher temperatures, since otherwise oxide layers form during preheating, which lead to poor adhesion between the layer and the casting material.
  • the invention is therefore based on the problem of providing a part to be cast with a layer which is homogeneous, has no binding defects or internal defects, has good layer adhesion both with respect to iron or copper-based alloys and with aluminum-based alloys and thus to one uniformly high load capacity of the composite material.
  • the strength of the composite material according to the invention is said to far exceed the strength of the Alfin ring carrier binding, which has been known for around 40 years and is still in series production for the majority of pistons for diesel engines, since the ignition pressures of these pistons and thus the loads in the last Years have risen significantly.
  • the selection of the alloys for the immersion bath according to feature b) of the preamble is not limited to the Al alloys usually used in the Al-Fin process, but other immersion baths, preferably based on zinc or tin, can also be used.
  • the strength of the bond increases significantly compared to the alfine bond.
  • a Ni resist component (composition approx. 2.6% C / 2.1% Si / 1.2% Mn / 15% Ni / 1.3% Cr / 6% Cu, rest Fe) is first electroplated approximately 50 microns thick with chrome. The part is then approx. 3 min. immersed in an AlSi6 melt at 720 degrees Celsius, placed in the casting mold and immediately cast over when the immersion layer has not yet completely solidified.
  • the binding strength of samples produced in this way is 140-150 N / mm 2 .
  • the binding strength of appropriately produced samples without a chrome layer is only 50 - 60 N / mm 2 . If both processes are carried out on a component made of CuNi2Si, the bond strength is 140 - 150 N / mm 2 in the first process and 30 - 45 N / mm 2 in the second process.
  • connection is shown in the micrograph.
  • FIG. 1 shows the layer structure according to the invention in cross section: Between a previously defined NiResist material 1 and an AlSi material 4 there is a bonding layer made of electrodeposited chromium 2, which has a seam 3 made of intermetallic phases on the AlSi side.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein gießtechnisches Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles, insbesondere Kolbens, aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen. Um eine gute Bindungsfestkeit zwischen Grundmaterial und zweitem Werkstoff zu erreichen, wird vorgeschlagen, das einzugießende Teil vorher galvanisch mit einer chromhaltigen Schicht zu versehen und es anschließend zu alfinieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, bestehend aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Aus der EP-OS 0 353 480 ist ein Verfahren zum Einbringen einer lokalen Verstärkung , bestehend aus einem Eisenbasiswerkstoff, in einen Aluminiumkolben bekannt. Dabei wird das einzubringende Bauteil zunächst auf den mit Aluminium zu kontaktierenden Flächen mit einem auch bei höheren Temperaturen oxidationsbeständigen aus Partikeln bestehenden Material beschichtet.
  • Das hierzu eingesetzte Verfahren ist üblicherweise ein Spritzverfahren, wobei Flammspritzen, Plasmaspritzen oder Lichtbogenspritzen in Frage kommen.
  • Anschließend wird das Teil vorgewärmt, in eine Gießform eingelegt und mit einer Aluminiumlegierung umgossen.
  • Dieses Verfahren hat mehrere Nachteile:
  • Spritzschichten sind nicht aus einem homogenen Material aufgebaut, sondern aus vielen einzelnen, zunächst schmelzflüssigen und anschließend schnell erstarrten Partikeln.
  • Poren und Bindefehler sowohl an der Grenzfläche als auch in der Schicht selbst können nie vollkommen ausgeschlossen werden. Die Beschichtung von Kanten und Ecken bereitet erhebliche Probleme. Definierte Schichtstärken mit Abstufungen im Bereich von wenigen Mymeter lassen sich nicht herstellen und es wird unter Umständen mehr Material als unbedingt notwendig aufgetragen.
  • Einen Hinweis auf die ungleichmäßige Ausbildung der Spritzschicht liefert schon die in obengenannter Schrift enthaltene Tabelle mit Festigkeitswerten, bei der selbst bei gleicher Schichtstärke Unterschiede von 26% in der Festigkeit gemessen wurden. Ein so hergestellter Verbundwerkstoff weist also lokal unterschiedliche Festigkeitswerte auf.
  • Ein weiterer Nachteil liegt in der Beschränkung der Schichtwerkstoffe, die erfindungsgemäß auch bei höheren Temperaturen oxidationsbeständig sein müssen, da sich sonst beim Vorwärmen Oxidschichten bilden, die zu einer schlechten Haftung zwischen Schicht und Umgußmaterial führen.
  • Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein zu umgießendes Teil mit einer Schicht zu versehen, die homogen ist, keine Bindefehler oder inneren Fehler aufweist, eine gute Schichthaftung sowohl gegenüber Eisen- bzw. Kupfer-Basislegierungen als auch gegenüber Aluminiumbasislegierungen aufweist und somit zu einer gleichmäßig hohen Belastbarkeit des Werkstoffverbundes führt. Insbesondere soll die Festigkeit des erfindungsgemäßen Werkstoffverbundes die Festigkeit der seit ca. 40 Jahren bekannten und bis heute beim Großteil der Kolben für Dieselmotoren in Serie produzierten Alfin-Ringträger-Bindung weit überschreiten, da die Zünddrücke dieser Kolben und damit die Belastungen in den letzten Jahren erheblich gestiegen sind.
  • Eine Lösung dieses Problems zeigt das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1 auf. Durch die galvanische Aufbringung einer Chromschicht auf das eisen- oder kupferhaltige Teil wird in Verbindung mit den weiteren Verfahrensschritten des Alfinverfahrens eine homogene und gut haftende Verbindung mit der Aluminiumbasislegierung geschaffen.
  • Dabei beschränkt sich die Auswahl der Legierungen für das Tauchbad nach Merkmal b) des Oberbegriffs nicht auf die üblicherweise beim Al-Fin-Verfahren verwendeten Al-Legierungen, sondern es können auch andere Tauchbäder, vorzugsweise auf Zink- oder Zinn-Basis eingesetzt werden.
  • Die Festigkeit der Bindung nimmt, verglichen mit der Alfinbindung, stark zu.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert: Ein Ni-Resist-Bauteil (Zusammensetzung ca. 2,6 % C / 2,1 % Si / 1,2 % Mn / 15 % Ni / 1,3 % Cr / 6 % Cu, Rest Fe) wird zunächst galvanisch ca. 50 Mymeter stark mit Chrom beschichtet. Das Teil wird anschließend ca. 3 min. bei 720 Grad Celsius in einer AlSi6-Schmelze getaucht, in die Gießform gelegt und sofort bei noch nicht vollständig erstarrter Tauchschicht umgossen. Die Bindungsfestigkeit von so hergestellten Proben liegt bei 140 - 150 N/mm2. Die Bindungsfestigkeit von entsprechend hergestellten Proben ohne Chromschicht liegt nur bei 50 - 60 N/mm2. Führt man beide Verfahren an einem Bauteil aus CuNi2Si durch, so liegt beim ersten Verfahren die Bindungsfestigkeit bei 140 - 150 N/mm2, beim zweiten Verfahren bei 30 - 45 N/mm2.
  • Im Schliffbild ist die Verbindung dargestellt.
  • Es zeigt Fig. 1 den erfindungsgemäßen Schichtaufbau im Querschliff:
       Zwischen einem vorstehend definierten NiResist-Werkstoff 1 und einem AlSi-Werkstoff 4 liegt eine Bindeschicht aus galvanisch abgeschiedenem Chrom 2, die auf der AlSi-Seite einen Saum 3 aus intermetallischen Phasen aufweist.

Claims (4)

  1. Gießtechnisches Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere Kolbens, bestehend aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen, von denen der eine Werkstoff eine Legierung auf Eisen- oder Kupferbasis und der andere eine Legierung auf Aluminiumbasis ist mit den Verfahrensschritten
    a) Beschichten des eisen- bzw. kupferhaltigen Teiles
    b) Tauchen des eisen- bzw. kupferhaltigen Teiles in einer Metall-Schmelze, bestehend vorzugsweise aus einer Legierung auf Aluminium-, Zink- oder Zinnbasis
    c) Einlegen des Teiles in eine Gießform
    d) Umgießen des Teiles mit einer Legierung auf Aluminiumbasis,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß auf das zu beschichtende Teil galvanisch eine chromhaltige Schicht aufgebracht wird und diese chromhaltige Schicht bei den weiteren Verfahrensschritten nur angelöst, nicht jedoch ganz aufgelöst wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Chromgehalt in der galvanisch erzeugten Schicht bei mindestens 25% liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Chromgehalt in der galvanisch erzeugten Schicht bei mindestens 50% liegt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Chromgehalt in der galvanisch erzeugten Schicht bei mindestens 80% liegt.
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