EP0854763A2 - Verfahren zur herstellung einer intermetallischen verbindung - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer intermetallischen verbindung

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EP0854763A2
EP0854763A2 EP96945136A EP96945136A EP0854763A2 EP 0854763 A2 EP0854763 A2 EP 0854763A2 EP 96945136 A EP96945136 A EP 96945136A EP 96945136 A EP96945136 A EP 96945136A EP 0854763 A2 EP0854763 A2 EP 0854763A2
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reinforcement part
intermetallic
reinforcement
graphite
aluminum
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Birgit Hudelmaier
Dieter MÜLLER-SCHWELLING
Detlef Schlosser
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Mahle GmbH
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Mahle GmbH
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    • 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
    • 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
    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases or frames
    • F02F7/0085—Materials for constructing engines or their parts
    • 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 an intermetallic connection between a motor component made of an aluminum-based alloy and a reinforcement part made of austenitic cast iron, which are connected to one another by casting technology.
  • Corresponding methods are used in particular for introducing ring girders, occasionally also for introducing trough edge reinforcements in diesel engines.
  • the reinforcement part is connected to the piston material using the Alfin process, which has been known in the prior art since approx. 1950, by immersing the reinforcement part in an AlSi melt before the piston material is cast around it forms an intermetallic layer on the surface of the reinforcement part.
  • the invention is therefore concerned with the problem of increasing the strength of the intermetallic bond between the casting and the reinforcement part regardless of the use of a GGG or GGL material.
  • An essential area of application for the method according to the invention is in the production of pistons with reinforcement parts made of austenitic cast iron according to claim 2, the reinforcement parts according to claim 3 preferably being ring carriers.
  • the reinforcement parts must be annealed in an oven atmosphere with oxidizing and reducing components in order to largely avoid the formation of concentration differences due to nickel diffusion on the surface and the formation of iron oxides on the surface a surface formed in this way has a disruptive effect in the subsequent process steps.
  • Fig. 1 shows a cross section of an Alfin bond according to the invention with edge-graphitized reinforcement part
  • Fig. 2 shows a cross section of an Alfin bond without edge graphitization for comparison.
  • a reinforcement part made of austenitic cast material 1 with lamellar graphite formation is connected to a piston material AlSil2CuNiMg 2 by an Alfin layer 3.
  • the austenitic cast material is edge-graphitized in the area of the alfin bond to a depth of approx. 100-150 ⁇ m.
  • the de-graphitization is carried out by annealing the casting material in exogas at temperatures of at least o o
  • the content of CO and CO and the dew point must be set so that there is a good decarburizing effect in order to achieve short annealing times. In the present case, the glow time was 25 minutes.
  • exogas which has both reducing and oxidizing components, largely avoids differences in concentration and the formation of oxides on the surface.
  • the further process steps correspond to the Alfin process known in the prior art.
  • the compact graphite lamellae instead of the compact graphite lamellae, only loosened, non-coherent, pearl-cord-shaped oxides can be seen in the alfin layer 3, which do not have an effect on the strength of the alfin layer, or at least have a significantly lower effect than the graphite lamellae of an unannealed austenitic cast iron.
  • FIG. 2 A conventional alfin layer is shown in FIG. 2 only for comparison. There, the Alfin layer 4 is clearly penetrated by graphite lamellae, which weaken the Alfin bond, since they act as defects.

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Abstract

Die Festigkeit der intermetallischen Bindung zwischen einem Motoren-Bauteil aus einer Aluminium-Basis-Legierung und einem Bewehrungsteil aus austenitischem Gußeisen soll erhöht werden. Hierzu wird das Bewehrungsteil vor der Durchführung des im Stand der Technik bekannten Alfin-Verfahrens in einer entkohlenden Atmosphäre geglüht, um eine von Graphitlamellen weitgehend freie Alfin-Schicht zu erhalten.

Description

Verfahren zur Herstellung einer intermetallischen Verbindung
Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur Herstel¬ lung einer intermetallischen Verbindung zwischen einem Mo¬ torenbauteil aus einer Aluminium-Basis-Legierung und einem Bewehrungsteil aus austenitischem Gußeisen, die gießtech¬ nisch miteinander verbunden werden. Entsprechende Verfahren werden insbesondere zum Einbringen von Ringträgern, verein¬ zelt auch zum Einbringen von Muldenrandbewehrungen bei Die¬ sel-Motoren angewendet.
Dabei wird die Verbindung des Bewehrungsteils mit dem Kol- benwerkstoff mit dem im Stand der Technik seit ca. 1950 be¬ kannten Alfin-Verfahren hergestellt, indem das Bewehrungs¬ teil vor dem Umgießen mit dem Kolbenwerkstoff in eine AlSi- Schmelze getaucht wird, wobei sich an der Oberfläche des Bewehrungsteils eine intermetallische Schicht ausbildet.
Mit den bei Dieselmotoren in der Vergangenheit kontinuier¬ lich gestiegenen Zünddrücken zeigten sich die Festigkeits¬ grenzen der bisher produzierten Alfin-Bindung, so daß nun eine höhere Bindungsfestigkeit gefordert wird.
Es wurde daher in DE-OS 42 21 448 schon vorgeschlagen, als Bewehrungsmaterial austenitisches Gußeisen mit globularer oder vermicularer Graphitausbildung zu verwenden, wodurch im Vergleich mit dem üblichen GGL-Werkstoff mit lamellarer Graphitausbildung die Bindungsfestigkeit infolge der gerin¬ geren Kerbwirkung der in der Schicht eingebundenen Graphit¬ partikel verbessert wird. Diese Lösung bringt allerdings auch verschiedene Nachteile mit sich. Sie bedeutet zunächst die Abkehr von einem seit langem be¬ währten Ringträgerwerkstoff. Außerdem weist der bisherige GGL-Ringträgerwerkstoff eine bessere Bearbeitbarkeit, höhe¬ re Wärmeleitfähigkeit und eine höhere Verschleißfestigkeit auf und ist etwas billiger als der GGG-Ringträgerwerkstoff.
Die Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, die Festigkeit der intermetallischen Bindung zwischen Umguß und Bewehrungsteil unabhängig von der Verwendung eines GGG- oder GGL-Werkstoffs zu erhöhen.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Ein wesentliches Anwendungsgebiet für das erfindungsgemäße Verfahren liegt in der Herstellung von Kolben mit Beweh¬ rungsteilen aus austenitischem Gußeisen gemäß Anspruch 2, wobei die Bewehrungsteile gemäß Anspruch 3 vorzugsweise Ringträger sind.
Durch das Glühen des austenitischen Grundwerkstoffs bis zur weitgehenden Entgraphitisierung des bei der Herstellung der intermetallischen Bindung beteiligten Bereichs wird die Kerbwirkung der Graphitlamellen bzw. anderer Graphitparti¬ kel auf einfache und kostengünstige Art und Weise verhin¬ dert und es kann sich eine nahezu störungsfreie intermetal¬ lische Schicht ausbilden. Erste Abrißversuche zeigen, daß die Zugfestigkeit der erfindungsgemäßen Schicht - vergli¬ chen mit der Zugfestigkeit konventioneller Alfin- Bindungen - um mindestens 30% gesteigert werden konnte.
Das Glühen der Bewehrungsteile muß in einer Ofenatmosphäre mit oxidierenden und reduzierenden Bestandteilen erfolgen, um die Entstehung von Konzentrationsunterschieden durch Diffusion des Nickels an die Oberfläche und die Bildung von Eisenoxiden an der Oberfläche weitgehend zu vermeiden, da eine so gebildete Oberfläche bei den nachfolgenden Verfah¬ rensschritten störend wirkt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs¬ beispiels beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Querschliff einer erfindungsgemäßen Alfin-Bindung mit randentgraphitisiertem Bewehrungsteil
Fig. 2 einen Querschliff einer Alfin-Bindung ohne Randentgraphitisierung zum Vergleich.
Ein Bewehrungsteil aus austenitischem Gußwerkstoff 1 mit lamellarer Graphitausbildung ist mit einem Kolbenwerkstoff AlSil2CuNiMg 2 durch eine Alfin-Schicht 3 verbunden. Der austenitische Gußwerkstoff ist im Bereich der Alfinbindung bis zu einer Tiefe von ca. 100-150 _μm randentgraphiti- siert. Die Entgraphitisierung erfolgt durch Glühen des Gu߬ werkstoffs in Exogas, bei Temperaturen von mindestens o o
800 C und vorzugsweise bei Temperaturen > 1000 C. Dabei sind der Gehalt an CO und CO und der Taupunkt so einzu¬ stellen, daß sich eine gut entkohlende Wirkung ergibt, um kurze Glühzeiten zu erreichen. Im vorliegenden Fall lag die Glühzeit bei 25 min.
Durch die Verwendung von Exogas, das sowohl reduzierende als auch oxidierende Anteile aufweist, werden Konzentrati¬ onsunterschiede und die Bildung von Oxiden an der Oberflä¬ che weitgehend vermieden.
Die weiteren Verfahrensschritte entsprechen dem im Stand der Technik bekannten Alfin-Verfahren. In der Alfin-Schicht 3 sind an Stelle der kompakten Gra¬ phitlamellen nur noch aufgelockerte, nicht kohärente, perl- schnurförmige Oxide zu erkennen, die sich auf die Festig¬ keit der Alfin-Schicht nicht oder zumindest wesentlich ge¬ ringer auswirken als die Graphitlamellen eines ungeglühten austenitischen Gußeisens.
Nur zum Vergleich wird in Fig. 2 eine konventionelle Alfin- Schicht dargestellt. Dort wird die Alfin-Schicht 4 deutlich erkennbar von Graphitlamellen durchsetzt, die die Alfin¬ Bindung schwächen, da sie als Störstellen wirken.

Claims

Patentanspruch
Verfahren zur Herstellung einer intermetallischen Ver¬ bindung zwischen einem Motoren-Bauteil aus einer ersten Aluminium-Basis-Legierung und einem Bewehrungsteil aus austenitischem Gußeisen, die gießtechnisch miteinander verbunden werden, mit den Verfahrensschritten
a) Glühen des Bewehrungsteils in einer Ofenatmo¬ sphäre mit oxidierenden und reduzierenden Gas¬ anteilen zwecks zumindest teilweiser Zerset¬ zung der im Bereich der Oberfläche des Beweh¬ rungsteils liegenden Graphitlamellen oder Gra¬ phitpartikel
b) Tauchen des Bewehrungsteils in einer Schmelze aus einer zweiten Aluminium-Basis-Legierung zwecks Ausbildung einer intermetallischen Bin¬ deschicht,
c) Entnahme des Bewehrungsteils aus dem Tauchbad, Einlegen des Bewehrungsteils in eine Gießform und direkt daran anschließendes Umgießen des Bewehrungsteils mit der ersten Aluminium-Ba¬ sis-Legierung.
2. Leichtmetallkolben mit einem Bewehrungsteil aus auste¬ nitischem Gußeisen, gekennzeichnet durch eine nach dem in Anspruch 1 angegebenen Verfahren her¬ gestellte intermetallische Bindung zwischen Kolben und Bewehrungsteil.
3. Leichtmetallkolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bewehrungsteil ein Ringträger ist.
4. Leichtmetallkolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der intermetallischen Bindung - verglichen mit dem Grundwerkstoff des Bewehrungsteils - keine kompak¬ ten Graphitlamellen oder Graphitpartikel vorliegen.
EP96945136A 1995-10-11 1996-09-20 Verfahren zur herstellung einer intermetallischen verbindung Expired - Lifetime EP0854763B1 (de)

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