EP1943039A1 - Method for producing a wear-resistant aluminum alloy, an aluminum alloy obtained according to the method, and use thereof - Google Patents

Method for producing a wear-resistant aluminum alloy, an aluminum alloy obtained according to the method, and use thereof

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EP1943039A1
EP1943039A1 EP06792791A EP06792791A EP1943039A1 EP 1943039 A1 EP1943039 A1 EP 1943039A1 EP 06792791 A EP06792791 A EP 06792791A EP 06792791 A EP06792791 A EP 06792791A EP 1943039 A1 EP1943039 A1 EP 1943039A1
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EP
European Patent Office
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alloy
casting
aluminum alloy
temperature
proportion
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EP06792791A
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EP1943039B1 (en
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Mathias Woydt
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Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
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Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D21/00Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
    • B22D21/002Castings of light metals
    • B22D21/007Castings of light metals with low melting point, e.g. Al 659 degrees C, Mg 650 degrees C
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C1/00Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02Making non-ferrous alloys by melting
    • C22C1/026Alloys based on aluminium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C21/00Alloys based on aluminium

Definitions

  • the invention relates to a process for producing a wear-resistant aluminum alloy, to aluminum alloys obtained by the process and to their use.
  • Motorized bearings with sliding elements made from an aluminum base alloy are found, for example, in a piston-piston-ring-cylinder-track assembly or crankshaft-bearing shell assembly, particularly in the form of crankshaft bearing shells, cylinder liners, piston rings, pistons and valve guides.
  • the sliding surfaces of the sliding elements can additionally also be coated or treated thermochemically.
  • cylinder liners made of eutectic AISi alloys ("silumin”) with coarse Si primary crystals have been known and used in motor applications, which can contain up to 1.3% by weight of iron
  • Al-Si-Mg e.g. Al-9.0Si-0.5Mg (A359) is characterized by a high temperature-dropping strength and by the following low temperature eutectic equilibria:
  • Al-Mg 2 Si-Mg having a melting temperature of 555 ° C
  • Al-Mg 2 Si-Al 3 Mg 2 having a melting temperature of 451 ° C or c.
  • the heat resistance of AISi alloys can be improved by ceramic fibers, particles and / or platelets, such as AISiMg 30% by volume SiCp (Lanxide Corp., Al-7.0Si-0.3Mg) or A359-20% by volume.
  • SiCp (p platelet) or reinforced by particles of silicon carbide, such as DURALCAN F3S.20S, 20% by weight SiC) or AA6061 + 40% by volume Al 2 O 3 (Al-1% Mg + 30% by weight Al 2 O 3 (PRIMEX TM).
  • DURALCAN F3S.20S 20% by weight SiC
  • Al 2 O 3 Al-1% Mg + 30% by weight Al 2 O 3
  • PRIMEX TM PRIMEX
  • K RT 16.6 mm 2 / s of a lamellar gray cast iron with 3.7% by weight C.
  • 5,318,641 to ALCOA discloses in the Al-Fe-Ce material system the alloy (X8019) having a tensile strength at RT of up to 1,600 MPa with crystalline nanoparticles precipitated in a partially amorphous matrix.
  • the amorphous or partially amorphous structure above recrystallized 300-450 0 C (AI90 J 8Fe6,2Nb1 J 0Si2,0 (at%), at 450 0 C.) Is lost, whereby the high strengths. This is accompanied by a Komvergröberung.
  • melt spinning or Sprühkompak- animals with subsequent compacting and / or extrusion can be manufactured economically in a large series no cylinder liners or engine blocks, especially compared to competitive solutions, such as thermal spraying or laser nitriding of gray cast iron.
  • the patent application US 2003/0185701 Discloses casting parameters for the material system Al-Fe-V-Si. Thereafter, the casting temperatures of 800-1000 0 C, wherein in a preheated to 350-500 0 C mold is poured.
  • the inoculum for the refinement consists of ⁇ 1, 0 wt .-% Mg / Ni.
  • a reference to tribologically stressed surfaces is neither refilled nor disclosed, nor the casting temperatures of the invention.
  • Al-8.3 Fe-0.8V-0.9Si alloys prepared according to US 2003/0185701 achieved between 43-143, with and without fine tuning by 0.1-1.0% by weight Mg Vickers hardness, which were significantly lower than those of the alloys of the invention.
  • the patent application US 2004/0261916 discloses the dispersion-strengthening material system Al-Ni-Mn, wherein the alloys consisting of 0.5-6.0 wt .-% Ni and 1, 0-3.0 wt .-% Mn with up to 0 3% by weight Zr and / or Sc may be grain-finely ground.
  • a reference to tribologically stressed surfaces is neither refilled nor disclosed.
  • the patent application US 2004/0140019 discloses the dispersion-strengthening material system Al + ⁇ 11 wt .-% (Mg, Li, Si, Ti, Zr), which is enriched by cryogenic milling with up to 0.3 wt .-% nitrogen. From this, tubes are manufactured in US 2004/0255460 for guiding cryogenic media. Reference to casting technologies or tribologically stressed surfaces is neither refilled nor disclosed.
  • a first aspect of the invention which helped to achieve the object, is to provide a method for producing a wear-resistant aluminum alloy.
  • the method according to the invention comprises the steps:
  • Z is one or more heat resistance additives selected from the group consisting of ceramic fibers, particles and platelets; and wherein the indications relate to wt .-% of the alloy and AI and manufacturing impurities take the remaining 100 wt .-% residual amount of the alloy, with the proviso that the proportion of
  • Al on the alloy is at least 80% by weight; (ii) melting the aluminum alloy, dissolving and homogenizing the aluminum alloy
  • Alloying elements at temperatures from 650 0 C to 1000 0 C; and (iii) casting the melt into a mold at a casting temperature ranging from a melting temperature of the alloy to a melting point
  • the present invention improves the wear resistance, the tribological load-bearing capacity and the heat resistance of aluminum-base alloys. This may be due to intermetallic phases precipitated in the microstructure, such as AIFe 3 , Al 3 Fe (H v ⁇ 9.8 GPa, ⁇ ), Al 5 Fe 2 ( ⁇ , Hy-10.5 GPa), Al 6 Fe, Al 13 Fe 4 , Al 5 Fe 2 ( ⁇ , Hv-10.5 GPa), Al 3 (Ti, Cr), Al 3 Ti, Al 4 (Cr, Fe), Al 10 (Cr, Fe), AISi 2 or Al 8 Fe 2 Si, which have microhardnesses of 4,000-8,000 MPa.
  • intermetallic phases precipitated in the microstructure such as AIFe 3 , Al 3 Fe (H v ⁇ 9.8 GPa, ⁇ ), Al 5 Fe 2 ( ⁇ , Hy-10.5 GPa), Al 6 Fe, Al 13 Fe 4 , Al 5 Fe 2 ( ⁇ , Hv-10.5 GPa), Al 3 (Ti, Cr), Al 3 Ti
  • the silicon content should not exceed 2.0 wt%, more preferably not 1.0 wt% Si.
  • the intermetallic phases are formed from eutectic ( ⁇ -Al o Al 3 Fe) and peritectic phase equilibria.
  • the alloys according to the invention differ morphologically, above all in the embodiment of the dendrites from intermetallic phases, from the silicon crystals precipitated in known AISi alloys.
  • the silicon crystals are present in aluminum alloys as individual single crystals, while a dendritic network allows an excellent integration into the matrix for absorption for shear stresses from the tribological stress.
  • the alloys according to the invention can be clearly characterized by their production process.
  • a particular object of the present invention is also to represent the solid or non-soluble in the solid state alloying elements such as Fe, Ti, Cr, Mo or V, even by means of simple casting technology as a homogeneous, segregation-free structure. This is achieved in particular by the decoration with an element selected from the group B, Ce, Sr, Sc, Mg, Nb, Mn and Zr and by special casting temperatures.
  • a tool mold according to the invention may include any shape suitable for the metal casting technique.
  • graphite molds can be used.
  • the refinement After melting and homogenization, preferably between 0.5% by weight and 0.8% by weight of one or more of the elements selected from the group boron, Ce, Sr, Sc, Mg, Nb, Mn or Zr may be used for the refinement be alloyed.
  • the refinement primarily reduces the size of the dendrites of the precipitated during solidification intermetallic phases, but also leads to an increase in the number of nuclei / density during the primary crystallization of aluminum.
  • a higher cooling rate of> 100 K / s achieves the same effect, so that the refinement is advantageously to be used for larger wall thicknesses of the cast parts in order to obtain a uniform microstructure.
  • the still relatively large dendrites are favorable for a tribological sliding stress and for the connection of the intermetallic phases in the structure, but not for the Nachalimentierung the solidification front with melt. Therefore, an optimum in size must be sought in each case by grain refining elements optionally with the aid of magnetic stirring.
  • the formation of the dendrites from the intermetallic phases can also be prevented by magnetic stirring.
  • the magnetic stirring also improves the alimentation of the solidification front with fresh melt, thus helping to avoid voids.
  • the casting temperature in step (iii) is in the range of 1 ° C to 80 ° C, in particular in the range of 10 0 C to 50 0 C, above the melting temperature of the alloy.
  • the casting temperatures are preferably below 800 ° C.
  • an alloy with 4-8 wt .-% of Fe and / or 3-5 wt .-% of X is provided. Furthermore, it is preferred that X for the element combination (a) is specified such that a proportion of Si is less than or equal to 2 wt .-%, in particular less than or equal to 1 wt .-%.
  • X for the element combination (a) is specified such that a proportion of Si is less than or equal to 2 wt .-%, in particular less than or equal to 1 wt .-%.
  • steps (ii) and (iii) are part of a metallurgical melt casting process selected from the group of sand casting, die casting, continuous casting, strip casting, centrifugal casting and cold crucible casting.
  • the methods mentioned can be implemented particularly simply in conjunction with the method according to the invention.
  • the existing alloy workpiece can preferably be processed by drop forging. The workpiece is completely surrounded by the closed tool, the die, and the introduced into the die engraving determines the shape of the finished molding.
  • the temperature of the mold is in the range of 450 ° C to 600 ° C.
  • the temperature of the mold is in the range of 450 ° C to 600 ° C.
  • a second aspect of the invention relates to an aluminum alloy produced or obtainable by the method described above.
  • a third aspect of the invention resides in the use of the abovementioned aluminum alloy for producing sliding elements in crankshaft bearing shells, cylindrical raceways, piston rings, pistons, valve guides, bearing bushes or bearing shells.
  • Figures 4 and 5 are etched and unetched SEM micrographs of a 88.5AI 8.5 Fe 1, 3V1, 7Si alloy
  • FIGS. 7 to 9 are SEM images of the AlFeCrTi alloy
  • FIGS. 12 and 13 show LOM images of an Al84.4Fe7Cr6Ti2.5Mg0.1 alloy
  • Figures 1-3 show sample cross-sections of AlFeVSi alloys cast under various conditions.
  • the 12mm sample cross-section of Fig. 1 shows a AI88,4Fe8,5V1, 3Si 1, 7ZrO, 1 alloy, which was poured into a preheated to 600 0 C graphite mold at a melt temperature of 750 0 C and the Zr was added as Komfeinungselement ,
  • the sample cross-section (14 mm) from FIG. 3 is based on an Al88.5 Fe8.5 V1, 3 Si1.7 alloy, which was poured without preheating into a graphite mold at a melting temperature of 700.degree.
  • the alloys according to the invention can substitute gray cast iron material mechanically, since, moreover, it decreases in a similar manner with increasing temperature, as with high-carbon cast iron. The decrease in strength of the alloys of the invention is also shifted to higher temperatures.
  • Embodiment 2 AlFeCrTi alloys
  • the alloy system AI84,4Fe7,0Cr6,0Ti2,5 separates a dense, but closed, primary dendrite (see Fig. 6) which by means of EDX as an AI 4 (Fe 1 Cr) was analyzed.
  • the SEM images (FIG. 7 (Unetched); Figure 8 (etched)) in addition to the Al 3 Fe dendrites precipitates of Al 4 (V 1 Fe).
  • V 1 Fe Al 4
  • Within the lamellar drendrites one finds a globular substructure.
  • one finds in the same microstructure further precipitates of Al 3 (Ti 1 Cr) ( Figure 9, SEM image, etched).
  • the AlFeXY alloys according to the invention advantageously have a low excess temperature of max. 150K above the melting temperature of the alloy.
  • FIG. 14 shows the test results obtained in the form of the wear coefficient of the main body (piston ring) separated from the counterbody (rotating sample or cylinder bore) with the mixing / boundary friction coefficient belonging to the respective pairing.
  • Hydrocarbon-based SAE 5W-30 and SAE OW-30 first fill oils used in FIG. 14 have a high temperature high shear viscosity (HTHS) of 3.0 mPas.
  • the GG20HCN is a 3.66 wt% carbon high carbon gray cast iron with lamellar graphite.
  • the piston ring designations "MKP81A”, “MKJet502 (WC / Cr 3 C 2 ,” superpolished ”)" and "CKS36" are brand names of Federal Mogul Burscheid GmbH.
  • Ti n O 2n-I and Ti n-2 Cr 2 ⁇ 2n- i ring coatings represent experimental coatings for piston rings from CIE Automotive (Tarabusi, Barrio Urquizu 58, ES-48140 Igorre) AlFeXY alloys Al84.4Fe7.0Cr6.0Ti2.5Mg0.1 and 88.4AI8.5Fe1.3V1, 7SiZrO, 1 were poured off in vacuo at 750 ° C in a preheated to 600 ° C graphite mold.
  • nitrided rings are considered to be wear-resistant against AISiI 7 (AISiI 7Cu4Mg, "Alusil” from Kolbenschmidt) or AISi25Ni4 ("Silitec” from PEAK Werkstoff GmbH) up to 25 N normal force or are in wear low position ⁇ 25 N (oil-dependent!) Go into the wear high position.
  • AISiI 7Cu4Mg AISiI 7Cu4Mg, "Alusil” from Kolbenschmidt
  • AISi25Ni4 AISi25Ni4
  • the wear resistance of the 0.1% by weight Mg grain refined AI84.4Fe7Cr6Ti2.5Mg0.1 alloy achieves a wear resistance and load capacity comparable to high carbon black cast iron compared to the molybdenum based MKP81A piston ring.
  • Conspicuous in the table are the higher coefficients of friction with the first filling oil SAE 5W-30 under mixed / boundary friction of the AlFeXY alloys compared to the GGL20HCN.
  • the metal-free friction reducer contained in the first filling oil SAE OW-30 (“PCX”) with an HTHS of 3.0 mPas does not work with the AIFeCrTi.
  • Fig. 16 is still the wear coefficient of a long-term experiment (108 km) reproduced, whereby a strong, wear-reducing run-in behavior of AlFeCrTi alloy is documented.
  • crankshaft journal was made of a "nitriding steel" with HRC 58.
  • a material solution is The current running surfaces of plain bearing shells made of AISn14Cu8, AISn20, PbSn10Cu3, GZ-CuSn7ZnPb or lead bronzes, as well as bonded coatings require corrosion inhibiting additives in the lubricants for federal metals, which significantly impair the ecotoxicological properties AISi or AlFeXY alloys are all together with less risk of corrosion and allow a waiver or a significant reduction in the concentration of anti-corrosion additives.
  • the tribological limit load capacity of 100 MPa (geometrical surface pressure) of the sliding combination "AISi12CuNiMg / Nitrierstahl" in the BMW801 double star motor at an oil inlet temperature of 99 ° C of the fully synthetic lubricant "SS-1600" based on an adipic ester and ethylene oil is remarkable, as it with a kinematic Viscosity ⁇ iooc ⁇ 6.2 mm 2 / s was still significantly “thinner” than today's light-running oils with ⁇ iooc ⁇ 9-12 mitf / s.
  • AlFeXY wear protection and high pressure additives in engine and gearbox oils, also due to the metallurgy of the specimens in Tribometem, are matched to iron and not to silicon.
  • valve guides require high thermal diffusivity because they dissipate heat from the valve stem into the cylinder head, with associated wear resistance. Therefore, valve guides are preferably made of copper base alloys, such as CuZn36Mn3AI2SiPb ( ⁇ CuZn40AI2 according to DIN 17660 or CW713R) with ⁇ RT ⁇ 63 W / mK or K RT ⁇ 19.7 mm 2 / s. At the surfaces in the lower part of the guide of the exhaust valve temperatures of 500 0 C are not uncommon.
  • the aluminum alloys according to the invention offer a 3-4 times higher thermal diffusivity combined with the necessary temperature resistance without melt equilibria up to> 600 ° C.
  • Aluminum piston materials consist of eutectic AISi12CuXX alloys or over-eutectic AISiI 8CuXX alloys also containing up to 0.85% by weight iron.
  • the thermal diffusivities are between 55 mitf / s ⁇ K RT ⁇ 61.7 mm 2 / s.

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Abstract

The invention relates to a method for producing a wear-resistant aluminum alloy, to an aluminum alloy produced according to the method, and to the use thereof. The method comprises the steps of: (i) providing an aluminum alloy having the composition Fe: 3-10; X: 3-10; Y: 0-1.5; Z: 0-10; wherein X represents an element or combination of elements (a) V and Si; (b) Cr and Ti; (c) Ce; or (d) Mn; each time with the proviso that the proportion of the individual elements in the combinations of elements (a) and (b) is at least 0.5 wt %; Y represents one or more grain-refining elements selected from the group of B, Ce, Sr, Sc, Mg, Nb, Mn and Zr, unless already present as X; Z represents one or more additives increasing the heat resistance, selected from the group of ceramic fibers, particles and platelets, the figures referring to % by weight in the alloy, and Al and production-related impurities representing the remaining proportion in the alloy to make 100 wt %, with the proviso that the proportion of Al in the alloy is at least 80 wt %; (ii) melting the aluminum alloy, dissolving and homogenizing the alloy elements at temperatures of from 650° C. to 1,000° C.; and (iii) casting the melt into a casting mold at a casting temperature ranging from the melting temperature of the alloy up to a temperature 150° C. above the melting temperature.

Description

Verfahren zur Herstellung einer verschleißbeständigen Aluminiumlegierung, nach dem Verfahren erhaltene Aluminiumlegierung und deren VerwendungA process for producing a wear-resistant aluminum alloy, aluminum alloy obtained by the process and their use
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer verschleißbeständigen Aluminiumlegierung, nach dem Verfahren erhaltene Aluminiumlegierungen und deren Verwendung.The invention relates to a process for producing a wear-resistant aluminum alloy, to aluminum alloys obtained by the process and to their use.
Hintergrund der Erfindung und Stand der TechnikBackground of the invention and prior art
Motorische Gleitpaarungen mit aus einer Aluminiumbasis-Legierung hergestellten Gleitelementen finden sich beispielsweise in einer Kolben-Kolbenring-Zylinderlaufbahn-Baugruppe oder Kurbelwellen-Lagerschalen-Baugruppe, insbesondere in Form von Kurbelwellenlagerschalen, Zylinderlaufbahnen, Kolbenringen, Kolben und Ventilführungen.Motorized bearings with sliding elements made from an aluminum base alloy are found, for example, in a piston-piston-ring-cylinder-track assembly or crankshaft-bearing shell assembly, particularly in the form of crankshaft bearing shells, cylinder liners, piston rings, pistons and valve guides.
Die Gleitflächen der Gleitelemente können zusätzlich auch beschichtet oder thermo- chemisch behandelt sein. Seit den dreißiger Jahren des vergangenen Jahrhunderts sind Zylinderlaufbahnen aus eutektischen AISi-Legierungen („Silumin") mit groben Si- Primärkristallen bekannt und motorisch im Einsatz. Diese können bis zu 1 ,3 Gew.-% Eisen enthalten. Die Werkstoffmatrix dieser Konzepte baut auf Aluminium und Silizium auf. Zur funktionalen Ausgestaltung der Zylinderlaufbahnoberfläche kommt es im Wesentlichen darauf an, durch chemische oder mechanische Behandlungen der Laufbahnen die Aluminiummatrix um 0,5 - 2 μm zurückzusetzen, damit die harten Siliziumkristalle (Hv -12 - 14 GPa) den Traganteil ausbilden.The sliding surfaces of the sliding elements can additionally also be coated or treated thermochemically. Since the thirties of the last century, cylinder liners made of eutectic AISi alloys ("silumin") with coarse Si primary crystals have been known and used in motor applications, which can contain up to 1.3% by weight of iron For the functional design of the cylinder surface, it is essential to reset the aluminum matrix by 0.5 - 2 μm by chemical or mechanical treatment of the raceways, so that the hard silicon crystals (Hv -12-14 GPa) form the supporting component ,
Den niedrigsten Systemverschleiß (Kolbenring und Zylinderlaufbahn) erzielen AISi- Laufbahnen gegen nitrierte Kolbenringe, die mit der Verschleißerwartung von hoch- gekohlten Grauguss-Zylinderlaufbahnen (3,3 - 3,8 Gew.-% C) identisch oder z.T. auch besser sein kann. Die Patentschrift US 6,030,577 offenbart AISi(17-35 Gew.-% Si) mit 3 - 5 Gew.-% Fe.The lowest system wear (piston ring and cylinder bore) is achieved by AISi raceways against nitrided piston rings, which are identical or partially identical to the wear expectation of highly carbonated cast iron cylinder liners (3.3 - 3.8 wt.% C). can also be better. The patent US 6,030,577 discloses AISi (17-35 wt.% Si) with 3-5 wt.% Fe.
Insgesamt zeigte sich jedoch, dass diese bewährte Paarung aus AISi-Legierungen tribologisch nicht mehr den Belastungen neuer bzw. zukünftiger hochaufgeladener und/oder mit wasserstoffbetriebenen Motoren standhält. Dabei kristallisiert sich heraus, dass dies sowohl für AISiI 7- (Alusil) wie auch für AISi25-Legierungen („SILITEC") gilt. Weiterhin limitiert sind die AISi-Legierungen in der tribologischen Gutlast bzw. Fresslast hinsichtlich der tribologischen Hochdruckeigenschaften.Overall, however, it was found that this proven pairing of AISi alloys tribologically no longer withstand the load of new or future highly-charged and / or with hydrogen-powered engines. It turns out that this is true for both AISiI 7 (Alusil) and AISi25 alloys Furthermore, the AISi alloys are limited in the tribological good load or feeding load with regard to the tribological high-pressure properties.
Das sehr gut gießbare Stoffsystem Al-Si-Mg, z.B. AI-9,0Si-0,5Mg (A359), zeichnet sich durch eine mit der Temperatur stark abfallende Festigkeit aus und durch folgende eutektische Gleichgewichte mit geringer Temperatur:The very readily castable material system Al-Si-Mg, e.g. Al-9.0Si-0.5Mg (A359) is characterized by a high temperature-dropping strength and by the following low temperature eutectic equilibria:
a. AI-Mg2Si-Mg mit einer Schmelztemperatur von 555°C, b. AI-Mg2Si-AI3Mg2 mit einer Schmelztemperatur von 451 °C oder c. AI30^Mg69 1 o Mg + Mg17AI12 + Mg2Si mit einer Schmelztemperatur vona. Al-Mg 2 Si-Mg having a melting temperature of 555 ° C, b. Al-Mg 2 Si-Al 3 Mg 2 having a melting temperature of 451 ° C or c. Al 30 ^ Mg 69 1 o Mg + Mg 17 Al 12 + Mg 2 Si with a melting temperature of
437°C.437 ° C.
Ähnliche Phasengleichgewichte existieren auch im Stoffsystem Al-Cu-Zn.Similar phase equilibria also exist in the material system Al-Cu-Zn.
Die Warmfestigkeit von AISi-Legierungen kann durch keramische Fasern, Partikel und/oder Platelets verbessert werden, wie z.B. AISiMg 30 Vol.-% SiCp (Lanxide Corp., AI-7,0Si-0,3Mg) oder A359-20 Vol.% SiCp (p=platelet) oder verstärkt durch Partikel aus Siliziumkarbid, wie DURALCAN F3S.20S, 20 Gew.-% SiC) oder AA6061+ 40 VoI.- % AI2O3 (AI-1%Mg+ 30 Gew.-% AI2O3 (PRIMEX™). Allerdings wird der Kolbenring- verschleiß durch die keramischen Phasen sehr negativ beeinflusst.The heat resistance of AISi alloys can be improved by ceramic fibers, particles and / or platelets, such as AISiMg 30% by volume SiCp (Lanxide Corp., Al-7.0Si-0.3Mg) or A359-20% by volume. SiCp (p = platelet) or reinforced by particles of silicon carbide, such as DURALCAN F3S.20S, 20% by weight SiC) or AA6061 + 40% by volume Al 2 O 3 (Al-1% Mg + 30% by weight Al 2 O 3 (PRIMEX ™). However, piston ring wear is adversely affected by the ceramic phases.
Für eine optimale Ausbildung der Verbrennung von H2-betriebenen Motoren ist die hohe thermische Diffusivität des Aluminiums (KRT -60-80 mm2/s) essentiell, wodurch sich Beschichtungen der Zylinderlaufbahn mit Ingenieurkeramiken, Cermets oder Hartmetallen, trotz erwiesener, besserer Verschleißbeständigkeit, ausschließen. Zum Vergleich: KRT= 16,6 mm2/s eines lamellaren Graugusses mit 3,7 Gew.-% C.For optimum combustion of H 2 -driven engines, the high thermal diffusivity of aluminum (K RT -60-80 mm 2 / s) is essential, which results in coatings of the cylinder liner with engineering ceramics, cermets or hard metals, despite proven, better wear resistance , exclude. For comparison: K RT = 16.6 mm 2 / s of a lamellar gray cast iron with 3.7% by weight C.
Die Patentschrift US 4,948,558 offenbart ein Stoffsystem AIFeXY. Neben den intermetallischen Phasen kennzeichnen amorphe und kristalline Aluminiumphasen die Gefügemorphologie der rascherstarrten Al-Sonderlegierungen. Bisher werden diese warmfesten Sonderlegierungen, z. B. AI88,5 Fe8,5 V1 ,3 Sil , 7 oder AI84,5Fe7Cr6Ti2,5, technologisch aufwendig durch Schmelzverdüsung rasch erstarrt und anschließend konnpaktiert und stranggepresst oder pulvermetallurgisch dargestellt. Die Legierungen wurden bisher weder im Zusammenhang mit verschleißbeanspruchten Bauteilen erwähnt oder noch mit „klassischem" Gießen unter Schwerkrafteinfluss oder Druck in Formen oder Kokillen hergestellt. Die Patentschrift US 5,318,641 von ALCOA offenbart im Stoffsystem Al-Fe-Ce die Legierung (X8019) mit einer Zugfestigkeit bei RT von bis zu 1.600 MPa mit in einer teilamorphen Matrix ausgeschiedenen kristallinen Nanoteilchen. Das amorphe oder teilamorphe Gefüge rekristallisiert oberhalb von 300 - 4500C (AI90J8Fe6,2Nb1 J0Si2,0 (at.%), bei 4500C), wodurch die hohen Festigkeiten verloren gehen. Damit einher geht eine Komvergröberung. Durch Pulververdüsung, Schmelzspinnen oder Sprühkompak- tieren mit anschließendem Kompaktieren und/oder Strangpressen können wirtschaftlich in einer Großserie keine Zylinderlaufbahnen oder Motorblöcke gefertigt werden, insbesondere im Vergleich zu Wettbewerbslösungen, wie dem thermischen Spritzen oder Lasernitrieren von Grauguss.The patent US 4,948,558 discloses a fabric system AIFeXY. In addition to the intermetallic phases, amorphous and crystalline aluminum phases characterize the microstructure morphology of the rapidly solidified Al special alloys. So far, these heat-resistant special alloys, eg. B. AI88.5 Fe8.5 V1, 3 Sil, 7 or AI84.5Fe7Cr6Ti2,5, technologically complex rapidly melted by melt atomization and then konnpaktiert and extruded or represented powder metallurgy. The alloys have hitherto not been mentioned in connection with wear-stressed components or with "classical" casting under the influence of gravity or pressure in molds or molds. US Pat. No. 5,318,641 to ALCOA discloses in the Al-Fe-Ce material system the alloy (X8019) having a tensile strength at RT of up to 1,600 MPa with crystalline nanoparticles precipitated in a partially amorphous matrix. The amorphous or partially amorphous structure above recrystallized 300-450 0 C (AI90 J 8Fe6,2Nb1 J 0Si2,0 (at%), at 450 0 C.) Is lost, whereby the high strengths. This is accompanied by a Komvergröberung. By powder atomization, melt spinning or Sprühkompak- animals with subsequent compacting and / or extrusion can be manufactured economically in a large series no cylinder liners or engine blocks, especially compared to competitive solutions, such as thermal spraying or laser nitriding of gray cast iron.
Sämtliche ultra hochfesten Al-Sonderlegierungen mit 800 MPa < σZug RT < 1.600 MPa werden entweder pulvermetallurgisch oder durch Pulververdüsung oder nach dem Schmelzspinnverfahren bzw. Sprühkompaktieren hergestellt. Sie besitzen einen hohen Volumenanteil an intermetallischen Phasen, die Dank der raschen Erstarrung als feine Dispersoide kleiner als 50-100 nm vorliegen.All ultra-high-strength Al special alloys with 800 MPa <σ Tensile RT <1.600 MPa are produced either by powder metallurgy or by powder atomization or by melt spinning or spray compacting. They have a high volume fraction of intermetallic phases, which are present as fine dispersoids smaller than 50-100 nm due to the rapid solidification.
Die Patentanmeldung US 2003/0185701 (K.L. Sahoo et al.) offenbart Gießparameter für das Stoffsystem Al-Fe-V-Si. Danach betragen die Gießtemperaturen 800-1.0000C, wobei in einer auf 350-5000C vorgewärmte Kokille abgegossen wird. Das Inokulum zur Komfeinung besteht aus <1 ,0 Gew.-% Mg/Ni. Ein Bezug zu tribologisch beanspruchten Oberflächen wird weder nachgelegt noch offenbart, noch die erfindungsgemäßen Gießtemperaturen.The patent application US 2003/0185701 (KL Sahoo et al.) Discloses casting parameters for the material system Al-Fe-V-Si. Thereafter, the casting temperatures of 800-1000 0 C, wherein in a preheated to 350-500 0 C mold is poured. The inoculum for the refinement consists of <1, 0 wt .-% Mg / Ni. A reference to tribologically stressed surfaces is neither refilled nor disclosed, nor the casting temperatures of the invention.
Die Publikation von Sahoo et al., J. of. Materials Processing Technology 135 (2003) 253-257, präsentiert für eine AI-8, 3Fe-0, 8V-0, 9Si-Legierung die mechanischen Eigenschaften und Gefügemorphologien korngefeint mit 0,18 Gew.-% Mg, welche mit 1 K/s bis 14 K/s erstarrten.The publication by Sahoo et al., J. of. Materials Processing Technology 135 (2003) 253-257, presents for a Al-8, 3Fe-0, 8V-0, 9Si alloy the mechanical properties and grain morphologies grain-fined with 0.18 wt% Mg, which is 1 K / s to 14 K / s solidified.
Die nach US 2003/0185701 hergestellte AI-8,3Fe-0,8V-0,9Si-Legierungen erzielten mit und ohne Komfeinung durch 0,1-1 ,0 Gew.-% Mg Vickershärten zwischen 43-143, welche deutlich geringer als die der erfindungsgemäßen Legierungen.The Al-8.3 Fe-0.8V-0.9Si alloys prepared according to US 2003/0185701 achieved between 43-143, with and without fine tuning by 0.1-1.0% by weight Mg Vickers hardness, which were significantly lower than those of the alloys of the invention.
Die chinesische Publikation von Z. -H. Chen et al., J. Cent. South Univ. Technol. Vol. 7, No. 4, Dec. 2000, stellt die Herstellung von Bauteilen aus einer AA8009-Legierung nach dem OSPREY-Verfahren dar. Ein Bezug zu tribologisch beanspruchten Oberflächen wird weder nachgelegt noch offenbart. - A -The Chinese publication by Z.-H. Chen et al., J. Cent. South Univ. Technol. Vol. 7, no. 4, Dec. 2000, represents the manufacture of components from an AA8009 alloy according to the OSPREY process. Reference to tribologically stressed surfaces is neither refilled nor disclosed. - A -
Die Patentanmeldung US 2004/0156739 offenbart für Turbinenanwendungen Alumini- umlegierungen mit bis zu 20 Gew.-% Seltener Erden, welche mit Abkühlungsgeschwindigkeiten von 10-100 K/s gegossen wurden. Ein Bezug zu tribologisch beanspruchten Oberflächen wird weder nachgelegt noch offenbart.The patent application US 2004/0156739 discloses for turbine applications aluminum alloys with up to 20 wt .-% of rare earths, which were cast at cooling rates of 10-100 K / s. A reference to tribologically stressed surfaces is neither refilled nor disclosed.
Die Patentanmeldung US 2004/0261916 offenbart das dispersionverfestigende Stoffsystem Al-Ni-Mn, wobei die Legierungen bestehend aus 0,5-6,0 Gew.-% Ni und 1 ,0- 3,0 Gew.-% Mn mit bis zu 0,3 Gew.-% Zr und/oder Sc korngefeint sein können. Ein Bezug zu tribologisch beanspruchten Oberflächen wird weder nachgelegt noch offen- bart.The patent application US 2004/0261916 discloses the dispersion-strengthening material system Al-Ni-Mn, wherein the alloys consisting of 0.5-6.0 wt .-% Ni and 1, 0-3.0 wt .-% Mn with up to 0 3% by weight Zr and / or Sc may be grain-finely ground. A reference to tribologically stressed surfaces is neither refilled nor disclosed.
Die Patentanmeldung US 2004/0140019 offenbart das dispersionsverfestigende Stoffsystem Al+<11 Gew.-% (Mg, Li, Si, Ti, Zr), welches durch Tieftemperaturmahlen mit bis zu 0,3 Gew.-% Stickstoff angereichert wird. Daraus werden Rohre in US 2004/0255460 zur Führung von kryogene Medien gefertigt. Ein Bezug zu Gießtechnologien oder tribologisch beanspruchten Oberflächen wird weder nachgelegt noch offenbart.The patent application US 2004/0140019 discloses the dispersion-strengthening material system Al + <11 wt .-% (Mg, Li, Si, Ti, Zr), which is enriched by cryogenic milling with up to 0.3 wt .-% nitrogen. From this, tubes are manufactured in US 2004/0255460 for guiding cryogenic media. Reference to casting technologies or tribologically stressed surfaces is neither refilled nor disclosed.
Es besteht demnach anhaltender Bedarf nach einem Werkstoff, der die geschilderten Limitierungen des Standes der Technik überwindet.There is therefore a continuing need for a material that overcomes the described limitations of the prior art.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Ein erster Aspekt der Erfindung, der zur Lösung der gestellten Aufgabe beitrat, liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer verschleißbeständigen Aluminiumlegierung. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte:A first aspect of the invention, which helped to achieve the object, is to provide a method for producing a wear-resistant aluminum alloy. The method according to the invention comprises the steps:
(i) Bereitstellen einer Alumimumlegierung der Zusammensetzung(i) providing an aluminum alloy of the composition
Fe: 3 - 10;Fe: 3 - 10;
X: 3 - 10;X: 3 - 10;
Y: 0 - 1 ,5;Y: 0-1.5;
Z: 0 - 10; worinZ: 0-10; wherein
X für ein Element oder eine ElementkombinationX for an element or an element combination
(a) V und Si;(a) V and Si;
(b) Cr und Ti;(b) Cr and Ti;
(C) Ce; oder(C) Ce; or
(d) Mn steht, jeweils mit der Maßgabe, dass der Anteil der einzelnen Elemente in den Elementkombinationen (a) und (b) mindestens 0,5 Gew.-% beträgt; Y für ein oder mehrere Komfeinungselemente ausgewählt aus der Gruppe B, Ce, Sr, Sc, Mg, Nb, Mn und Zr steht, sofern diese nicht bereits als X vorhanden sind;(d) Mn in each case with the proviso that the proportion of the individual elements in the element combinations (a) and (b) is at least 0.5 wt .-%; Y is one or more design elements selected from the group B, Ce, Sr, Sc, Mg, Nb, Mn and Zr, if these are not already present as X;
Z für einen oder mehrere eine Warmfestigkeit erhöhende Zusätze ausgewählt aus der Gruppe keramische Fasern, Partikel und Platelets steht; und wobei sich die Angaben auf Gew.-% an der Legierung beziehen und AI sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen den auf 100 Gew.-% verbleibenden Restanteil an der Legierung einnehmen, mit der Maßgabe, dass der Anteil vonZ is one or more heat resistance additives selected from the group consisting of ceramic fibers, particles and platelets; and wherein the indications relate to wt .-% of the alloy and AI and manufacturing impurities take the remaining 100 wt .-% residual amount of the alloy, with the proviso that the proportion of
AI an der Legierung mindestens 80 Gew.-% beträgt; (ii) Schmelzen der Aluminiumlegierung, Auflösen und Homogenisieren derAl on the alloy is at least 80% by weight; (ii) melting the aluminum alloy, dissolving and homogenizing the aluminum alloy
Legierungselemente bei Temperaturen von 6500C bis 1.0000C; und (iii) Gießen der Schmelze in eine Gussform bei einer Gießtemperatur, die in einem Bereich beginnend mit einer Schmelztemperatur der Legierung bis zu einerAlloying elements at temperatures from 650 0 C to 1000 0 C; and (iii) casting the melt into a mold at a casting temperature ranging from a melting temperature of the alloy to a melting point
Temperatur von 150°C oberhalb der Schmelztemperatur liegt.Temperature of 150 ° C above the melting temperature.
Der vorliegende Erfindungsgegenstand verbessert die Verschleißbeständigkeit, die tribologische Tragfähigkeit und die Warmfestigkeit von Aluminiumbasis-Legierungen. Ursache hierfür mögen im Gefüge ausgeschiedene intermetallische Phasen sein, wie z.B. AIFe3, AI3Fe (Hv ~ 9,8 GPa, Θ), AI5Fe2 (η, Hy- 10,5 GPa), AI6Fe, AI13Fe4, AI5Fe2 (η, Hv- 10,5 GPa), AI3(Ti, Cr), AI3Ti, AI4(Cr, Fe), AI10(Cr, Fe), AISi2 oder AI8Fe2Si, welche Mikrohärten von 4.000-8.000 MPa aufweisen.The present invention improves the wear resistance, the tribological load-bearing capacity and the heat resistance of aluminum-base alloys. This may be due to intermetallic phases precipitated in the microstructure, such as AIFe 3 , Al 3 Fe (H v ~ 9.8 GPa, Θ), Al 5 Fe 2 (η, Hy-10.5 GPa), Al 6 Fe, Al 13 Fe 4 , Al 5 Fe 2 (η, Hv-10.5 GPa), Al 3 (Ti, Cr), Al 3 Ti, Al 4 (Cr, Fe), Al 10 (Cr, Fe), AISi 2 or Al 8 Fe 2 Si, which have microhardnesses of 4,000-8,000 MPa.
In der erfindungsgemäßen Metallurgie bilden sich keine eutektischen Schmelzgleichgewichte mit Liquidustemperaturen unterhalb von 600 - 620°C aus. Vorzugsweise sollte deshalb der Siliziumgehalt nicht 2,0 Gew.-%, noch bevorzugter nicht 1 ,0 Gew.- % Si überschreiten. Die intermetallischen Phasen bilden sich aus eutektischen (α-AI o AI3Fe) und peritektischen Phasengleichgewichten.In the metallurgy according to the invention, no eutectic melt equilibria with liquidus temperatures below 600-620 ° C. are formed. Preferably, therefore, the silicon content should not exceed 2.0 wt%, more preferably not 1.0 wt% Si. The intermetallic phases are formed from eutectic (α-Al o Al 3 Fe) and peritectic phase equilibria.
Die erfindungsgemäßen Legierungen unterscheiden sich morphologisch vor allem in der Ausbildungsform der Dendriten aus intermetallischen Phasen von den in bekannten AISi-Legierungen ausgeschiedenen Siliziumkristallen. Die Siliziumkristalle liegen in Aluminiumlegierungen als individuelle Einzelkristalle vor, während ein dendritisches Netzwerk eine hervorragende Einbindung in die Matrix ermöglicht zur Aufnahme für Schubspannungen aus der tribologischen Beanspruchung. Die erfindungsgemäßen Legierungen lassen sich eindeutig über ihr Herstellungsverfahren charakterisieren. Eine besondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt auch darin, die im festen Zustand im Aluminium nicht oder kaum löslichen Legierungselemente, wie z.B. Fe, Ti, Cr, Mo oder V, auch mittels einfacher Gusstechnologie als homogene, seigerungsfreie Gefüge darzustellen. Dieses wird insbesondere durch die Komfeinung mit einem Element ausgewählt aus der Gruppe B, Ce, Sr, Sc, Mg, Nb, Mn und Zr sowie durch spezielle Gießtemperaturen erzielt.The alloys according to the invention differ morphologically, above all in the embodiment of the dendrites from intermetallic phases, from the silicon crystals precipitated in known AISi alloys. The silicon crystals are present in aluminum alloys as individual single crystals, while a dendritic network allows an excellent integration into the matrix for absorption for shear stresses from the tribological stress. The alloys according to the invention can be clearly characterized by their production process. A particular object of the present invention is also to represent the solid or non-soluble in the solid state alloying elements such as Fe, Ti, Cr, Mo or V, even by means of simple casting technology as a homogeneous, segregation-free structure. This is achieved in particular by the decoration with an element selected from the group B, Ce, Sr, Sc, Mg, Nb, Mn and Zr and by special casting temperatures.
Eine Werkzeugform im Sinne der Erfindung kann jede beliebige für die metallische Gusstechnik geeignete Form beinhalten. Zu Testzwecken können beispielsweise Graphitkokillen eingesetzt werden.A tool mold according to the invention may include any shape suitable for the metal casting technique. For test purposes, for example graphite molds can be used.
Anzumerken ist, dass eine Vorhersage der Bildung von intermetallischen Phasen oder Dendriten beim Gießen nicht möglich ist, deren Gegenwart jedoch gerade die tribologischen Werkstoffeigenschaften maßgeblich beeinflussen. Die fehlende Prognostizierbarkeit von intermetallischen Phasen, Morphologie und Zusammensetzung der einzelnen Anteile am Gefüge sowie die durch eutektische Phasenbildung entstehenden Probleme lassen rein theoretische Überlegungen zur Prognose geeigneter Werkstoffe ungeeignet erscheinen. Experimentell wurde nun belegt, dass sich durch Halten der Temperatur der Schmelze auf über 650 0C ein Phasengleichgewicht über das gesamte Volumen des Werkstoffs in einem für gewerbliche Applikation sinnvollen Zeitraum einstellt.It should be noted that a prediction of the formation of intermetallic phases or dendrites during casting is not possible, but their presence significantly influences the tribological material properties. The lack of predictability of intermetallic phases, morphology and composition of the individual components of the microstructure as well as the problems arising from eutectic phase formation make purely theoretical considerations for the prognosis of suitable materials unsuitable. It has now been proven experimentally that holding the temperature of the melt above 650 ° C. establishes a phase equilibrium over the entire volume of the material in a time period which is reasonable for commercial application.
Nach dem Schmelzen und Homogenisieren können vorzugsweise noch zwischen 0,5 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% eines oder mehrerer der Elemente ausgewählt aus der Gruppe Bor, Ce, Sr, Sc, Mg, Nb, Mn oder Zr zur Komfeinung zulegiert werden. Die Komfeinung reduziert vorrangig die Größe der Dendriten der bei der Erstarrung ausgeschiedenen intermetallischen Phasen, führt aber auch zu einer Erhöhung der Keimanzahl/-dichte während der Primärkristallisation des Aluminiums.After melting and homogenization, preferably between 0.5% by weight and 0.8% by weight of one or more of the elements selected from the group boron, Ce, Sr, Sc, Mg, Nb, Mn or Zr may be used for the refinement be alloyed. The refinement primarily reduces the size of the dendrites of the precipitated during solidification intermetallic phases, but also leads to an increase in the number of nuclei / density during the primary crystallization of aluminum.
Eine höhere Abkühlungsgeschwindigkeit von >100 K/s erzielt denselben Effekt, so dass die Komfeinung vorteilhafterweise bei größeren Wandstärken der Gussteile anzuwenden ist, um ein gleichmäßiges Gefügebild zu erhalten. Die noch relativ großen Dendriten sind für eine tribologische Gleitbeanspruchung und die für Anbindung der intermetallischen Phasen im Gefüge günstig, jedoch nicht für die Nachalimentierung der Erstarrungsfront mit Schmelze. Deshalb muss durch Kornfeinungselemente ein Optimum in deren Größe jeweils gesucht werden gegebenenfalls unter Zuhilfenahme des magnetischen Rührens. Die Ausbildung der Dendriten aus den intermetallischen Phasen kann auch durch magnetisches Rühren verhindert werden. Das magnetische Rühren verbessert dadurch auch die Alimentierung der Erstarrungsfront mit frischer Schmelze und hilft so die Vermeidung von Leerstellen (Poren).A higher cooling rate of> 100 K / s achieves the same effect, so that the refinement is advantageously to be used for larger wall thicknesses of the cast parts in order to obtain a uniform microstructure. The still relatively large dendrites are favorable for a tribological sliding stress and for the connection of the intermetallic phases in the structure, but not for the Nachalimentierung the solidification front with melt. Therefore, an optimum in size must be sought in each case by grain refining elements optionally with the aid of magnetic stirring. The formation of the dendrites from the intermetallic phases can also be prevented by magnetic stirring. The magnetic stirring also improves the alimentation of the solidification front with fresh melt, thus helping to avoid voids.
Vorzugsweise liegt die Gießtemperatur im Schritt (iii) im Bereich von 1°C bis 80°C, insbesondere im Bereich von 100C bis 500C, oberhalb der Schmelztemperatur der Legierung. Die Gießtemperaturen liegen vorzugsweise unterhalb von 800 °C.Preferably, the casting temperature in step (iii) is in the range of 1 ° C to 80 ° C, in particular in the range of 10 0 C to 50 0 C, above the melting temperature of the alloy. The casting temperatures are preferably below 800 ° C.
Nach einer weiteren bevorzugten Variante des Verfahrens wird eine Legierung mit 4-8 Gew.-% an Fe und/oder 3-5 Gew.-% an X bereitgestellt. Weiterhin ist bevorzugt, dass X für die Elementkombination (a) derart vorgegeben wird, dass ein Anteil von Si kleiner oder gleich 2 Gew.-%, insbesondere kleiner oder gleich 1 Gew.-% beträgt. Die genannten Maßnahmen führen zu Aluminiumlegierungen, mit besonders günstigem tribologischen Verhalten.According to a further preferred variant of the method, an alloy with 4-8 wt .-% of Fe and / or 3-5 wt .-% of X is provided. Furthermore, it is preferred that X for the element combination (a) is specified such that a proportion of Si is less than or equal to 2 wt .-%, in particular less than or equal to 1 wt .-%. The measures mentioned lead to aluminum alloys, with particularly favorable tribological behavior.
Vorzugsweise sind die Schritte (ii) und (iii) Teil eines metallurgischen Schmelzgießprozesses ausgewählt aus der Gruppe Sandguss, Druckguss, Strangguss, Dünnbandgießen, Schleuderguss und Kalttiegelverfahren. Die genannten Verfahren lassen sich besonders einfach im Zusammenspiel mit dem erfindungsgemäßen Verfahren realisieren. Das aus der Legierung bestehende Werkstück kann vorzugsweise durch Gesenkschmieden bearbeitet werden. Das Werkstück wird dabei völlig vom geschlossenen Werkzeug, dem Gesenk, umschlossen und die in das Gesenk eingebrachte Gravur bestimmt die Form des fertigen Formlings.Preferably, steps (ii) and (iii) are part of a metallurgical melt casting process selected from the group of sand casting, die casting, continuous casting, strip casting, centrifugal casting and cold crucible casting. The methods mentioned can be implemented particularly simply in conjunction with the method according to the invention. The existing alloy workpiece can preferably be processed by drop forging. The workpiece is completely surrounded by the closed tool, the die, and the introduced into the die engraving determines the shape of the finished molding.
Schließlich ist bevorzugt, wenn die Temperatur der Gussform im Bereich von 450 °C bis 600 °C liegt. Hierdurch können Aluminiumlegierungen mit besonders günstigem tribologischen Verhalten hergestellt werden.Finally, it is preferred if the temperature of the mold is in the range of 450 ° C to 600 ° C. As a result, aluminum alloys can be produced with particularly favorable tribological behavior.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine nach dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellte oder erhältliche Aluminiumlegierung.A second aspect of the invention relates to an aluminum alloy produced or obtainable by the method described above.
Ein dritter Aspekt der Erfindung liegt in der Verwendung der zuvor genannten Aluminiumlegierung zur Herstellung von Gleitelementen in Kurbelwellenlagerschalen, ZyMn- derlaufbahnen, Kolbenringen, Kolben, Ventilführungen, Lagerbuchsen oder Lagerschalen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazu gehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:A third aspect of the invention resides in the use of the abovementioned aluminum alloy for producing sliding elements in crankshaft bearing shells, cylindrical raceways, piston rings, pistons, valve guides, bearing bushes or bearing shells. The invention will be explained in more detail with reference to embodiments and the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 bis 3 Probenquerschnitte durch AlFeVSi-Legierungen;1 to 3 sample cross sections through AlFeVSi alloys;
Fig. 4 und 5 geätzte und ungeätzte REM-Aufnahmen einer 88,5AI8,5Fe1 ,3V1 ,7Si-Legierung;Figures 4 and 5 are etched and unetched SEM micrographs of a 88.5AI 8.5 Fe 1, 3V1, 7Si alloy;
Fig. 6 einen Probenquerschnitt durch eine AlFeCrTi-Legierung;6 shows a sample cross-section through an AlFeCrTi alloy;
Fig. 7 bis 9 REM-Aufnahmen der AlFeCrTi-Legierung;FIGS. 7 to 9 are SEM images of the AlFeCrTi alloy;
Fig. 10 eine LOM-Aufnahme der AlFeCrTi-Legierung;10 shows a LOM image of the AlFeCrTi alloy;
Fig. 11 eine LOM-Aufnahme einer rasch abgekühlten AlFeCrTi-Legierung mit Restschmelze;11 shows a LOM image of a rapidly cooled AlFeCrTi alloy with residual melt;
Fig. 12 und 13 LOM-Aufnahmen einer AI84,4Fe7Cr6Ti2,5Mg0,1 -Legierung undFIGS. 12 and 13 show LOM images of an Al84.4Fe7Cr6Ti2.5Mg0.1 alloy and
Fig. 14 bis 16 Versuchsergebnisse zum tribologischen Verhalten der Legierungen.14 to 16 test results for the tribological behavior of the alloys.
Die nachfolgenden Figuren 1 - 13 beschreiben die Herstellungsparameter mit den sich dann einstellenden und die Gefügemorphologien von erfindungsgemäßen Legierungen auf Basis von AIFeVSi und AIFeCrTi in Argonatmosphäre.The following Figures 1-13 describe the production parameters with the then adjusting and the Gefömgemorphologien of alloys of the invention based on AIFeVSi and AIFeCrTi in argon atmosphere.
Ausführungsbeispiel 1 - AlFeVSi-LegierungenEmbodiment 1 - AlFeVSi alloys
Die Fig. 1 - 3 zeigen Probenquerschnitte von AlFeVSi-Legierungen, die unter verschiedenen Bedingungen gegossen wurde. Der 12mm-Probenquerschnitt aus Fig. 1 zeigt eine AI88,4Fe8,5V1 ,3Si 1 ,7ZrO, 1 -Legierung, die in eine auf 6000C vorgewärmte Graphitkokille bei einer Schmelztemperatur von 7500C gegossen wurde und der Zr als Komfeinungselement zugesetzt wurde. Dem Probenquerschnitt (14mm) aus Fig. 3 liegt eine AI88,5Fe8,5V1 ,3Si1 ,7-Legierung zu Grunde, die ohne Vorwärmung in eine Graphitkokille bei einer Schmelztemperatur von 700°C gegossen wurde. Fig. 2 zeigt die gleiche Legierung jedoch unter der Verfahrensvariante, dass die Schmelztemperatur 750°C betrug und die Graphitkokille auf 500°C erwärmt war. Letztere Legierung offeriert einen E-Modul bei Raumtemperatur (RT) von ERT = 85,7 GPa und bei 5000C immer noch E500°c = 65 GPa. Derartige Werte des E-Moduls sind also mit denen eines hochgekohlten, lamellaren Graugusses (-3,7 Gew.-% C, GL11) vergleichbar und deutlich größer als die von AISi-Legierungen. Es sei für beide beispielhaft vorgestellten, erfindungsgemäßen Al-Gusslegierungen darauf hingewiesen, dass die hohen E-Moduli ohne Zusatz von keramischen Fasern, Partikeln oder Platelets erzielt wurden. Allein durch den hohen E-Modul können die erfindungsgemäßen Legierungen Grauguss Werkstoff mechanisch substituieren, da zudem diese mit ansteigender Temperatur in ähnlicher Weise abnimmt, wie bei hochgekohltem Grauguss. Der Festigkeitsabfall der erfindungsgemäßen Legierungen wird zudem zu höheren Temperaturen verschoben.Figures 1-3 show sample cross-sections of AlFeVSi alloys cast under various conditions. The 12mm sample cross-section of Fig. 1 shows a AI88,4Fe8,5V1, 3Si 1, 7ZrO, 1 alloy, which was poured into a preheated to 600 0 C graphite mold at a melt temperature of 750 0 C and the Zr was added as Komfeinungselement , The sample cross-section (14 mm) from FIG. 3 is based on an Al88.5 Fe8.5 V1, 3 Si1.7 alloy, which was poured without preheating into a graphite mold at a melting temperature of 700.degree. Fig. 2 shows the same alloy but under the process variant that the melting temperature was 750 ° C and the graphite mold was heated to 500 ° C. The latter alloy offers an E modulus at room temperature (RT) of E RT = 85.7 GPa and at 500 0 C still E 500 ° C = 65 GPa. Such values of the modulus of elasticity are that is, comparable to those of a high-carbon, lamellar gray cast iron (-3.7% by weight C, GL11) and significantly larger than that of AISi alloys. It should be noted for both exemplified Al-casting alloys according to the invention that the high moduli of elasticity were achieved without the addition of ceramic fibers, particles or platelets. Alone due to the high modulus of elasticity, the alloys according to the invention can substitute gray cast iron material mechanically, since, moreover, it decreases in a similar manner with increasing temperature, as with high-carbon cast iron. The decrease in strength of the alloys of the invention is also shifted to higher temperatures.
Die Fig. 1 - 3 verdeutlichen, dass durch eine auf 5000C vorgewärmte Graphitkokille die gleichmäßige Ausbildung der Gefügestruktur der AI88,5Fe8,5V1 ,3Si1 ,7-Legierung über den Querschnitt erzielt wird, allerdings fördern diese Bedingungen den Wachstum großer Dendriten aus AI3Fe (Kartei für Röntgenbeugung JCPDS NR.: 001- 1265) von mehreren Millimeter Länge. Erst die Komfeinung mit 0,1 Gew.-% Zr, eine auf 600°C vorgewärmte Graphitkokille in Verbindung mit einer Gießtemperatur von 7500C erzielt ein deutlich feineres Gefügebild, welches homogen über den Querschnitt ausgeprägt ist.3 illustrate that the uniform formation of the microstructure of the AI88,5Fe8,5V1, 3Si1, 7-alloy is achieved over the cross-section through a pre-heated to 500 0 C graphite mold, however, these conditions promote the growth of large dendrites of Al - Figs. 1 3 Fe (X-ray diffraction chart JCPDS NR .: 001-1265) several millimeters long. Only the grain refinement with 0.1 wt .-% Zr, a pre-heated to 600 ° C graphite mold in conjunction with a casting temperature of 750 0 C achieved a much finer structure image which is pronounced homogeneously over the cross section.
Neben der Ausscheidung von „primären" Dendriten aus AI3Fe (001-1265) und AI8oVi2Fe7,5 (JCPDS Nr.: 040-1229) in der 88,5AI8,5Fe1,3V1 ,7Si-Legierung zeigen die REM-Aufnahmen der Fig. 4 (ungeätzt) und Fig. 5 (geätzt) das feine „perlitartige" Muster aus dem eutektischen Zerfall der Restschmelze, welches als AISi2 (Aluminium- disilicid) besteht. Dieses bildet den Schlüssel für die Ausbildung der hohen Warm- festigkeit einer „klassisch" gegossenen AIFe-XY-Legierung ohne Verwendung der Verfahren zur Rascherstarrung.In addition to the excretion of "primary" dendrites of Al 3 Fe (001-1265) and Al 8 oVi 2 Fe 7 , 5 (JCPDS No .: 040-1229) in the 88.5AI 8.5 Fe 1.3V1, 7Si alloy show the SEM images of Fig. 4 (unetched) and Fig. 5 (etched) the fine "pearlite" pattern from the eutectic decay of the residual melt, which consists of AISi 2 (aluminum disilicide). This forms the key to the formation of the high hot strength of a "classical" cast AIFe-XY alloy without the use of rapid solidification techniques.
Ausführungsbeispiel 2 - AlFeCrTi-LegierungenEmbodiment 2 - AlFeCrTi alloys
Fig. 6 zeigt eine Gefügemorphologie einer bei 700°C gegossenen AI84,5Fe7Cr6Ti2,5- Legierung, wobei der Legierung keine Komfeinungselemente zugesetzt wurden und der Guss in eine nicht vorgeheizte Graphitkokille (0=14mm) erfolgte. Die Legierung aus AI84,5Fe7Cr6Ti2,5 verfügt über einen Elastizitätsmodul von ERT = 104,1 GPa, welcher bei 5000C auf E50trc = 83 GPa abfällt.Fig. 6 shows a grain morphology of an Al84.5Fe7Cr6Ti2.5 alloy cast at 700 ° C, with no coalescing elements added to the alloy and cast into a non-preheated graphite mold (0 = 14mm). The alloy of AI84.5Fe7Cr6Ti2.5 has a modulus of elasticity of E RT = 104.1 GPa, which at 500 0 C drops to E 50trc = 83 GPa.
Das Legierungssystem AI84,4Fe7,0Cr6,0Ti2,5 scheidet auch ein dichtes, aber geschlossenes, primäres Dendritennetzwerk aus (siehe Fig. 6), welche mittels EDX als ein AI4(Fe1Cr) analysiert wurde. Außerdem offenbaren die REM-Aufnahmen (Fig. 7 (ungeätzt); Fig.8 (geätzt)) zusätzlich zu den AI3Fe-Dendriten Ausscheidungen aus AI4(V1Fe). Innerhalb der lamellaren Drendriten findet man eine globulare Unterstruktur. Zusätzlich findet man im selben Gefüge weitere Ausscheidungen aus AI3(Ti1Cr) (Fig. 9; REM-Aufnahme, geätzt).The alloy system AI84,4Fe7,0Cr6,0Ti2,5 separates a dense, but closed, primary dendrite (see Fig. 6) which by means of EDX as an AI 4 (Fe 1 Cr) was analyzed. In addition, the SEM images (FIG. 7 (Unetched); Figure 8 (etched)) in addition to the Al 3 Fe dendrites precipitates of Al 4 (V 1 Fe). Within the lamellar drendrites one finds a globular substructure. In addition, one finds in the same microstructure further precipitates of Al 3 (Ti 1 Cr) (Figure 9, SEM image, etched).
Wie auch bei der 88,5AI8,5Fe1 ,3V1 ,7Si-Legierung, zeigt die AlFeCrTi-Legierung ein feines, „perlitartiges" Muster aus dem eutektischen Zerfall der Restschmelze der AI84J4Fe7,0Cr6,0Ti2J5-Legierung (Fig. 10). Zum Vergleich zeigt Fig. 11 eine LOM- Aufnahme der lamellaren Dendriten aus intermetallischen Phasen in einer rasch abgekühlten AlFeCrTi-Legierung mit der Restschmelze.As with the 88,5AI8,5Fe1, 3V1, 7Si alloy AlFeCrTi alloy of the AI84 J 4Fe7,0Cr6,0Ti2 J shows a fine, "perlitartiges" pattern of the eutectic decomposition of the residual melt 5 alloy (Fig. 10 For comparison, Figure 11 shows a LOM image of lamellar intermetallic dendrites in a rapidly cooled AlFeCrTi alloy with the residual melt.
Durch Verringerung der Differenz zwischen Gieß- und Kokillentemperatur auf 250K und durch Komfeinung mittels 0,1 Gew.-% Mg erscheint das Dendritennetzwerk in einer AI84,4Fe7,0Cr6,0Ti2,5Mg0,1 -Legierung etwas feiner (Fig. 12), was insbesondere durch deren Verzweigung bzw. Verästelung verursacht wird (Fig. 13). Die AI84,4Fe7J0Cr6,0Ti2J5Mg0J1 -Legierung wurde bei 7500C in eine auf 5000C vorgeheizte Graphitkokille (14 mm) gegossen. Die 88,5AI8,5Fe1 ,3V1 ,7Si-Legierungen neigen eher zur Ausbildung von stemchenförmigen Kristallen im Vergleich zu der AI84,4Fe7,0Cr6,0Ti2,5Mg0,1 -Legierung mit einem Dendritennetzwerk.By reducing the difference between casting and mold temperature to 250K and refining it with 0.1 weight% Mg, the dendrite network appears somewhat finer in an Al84.4Fe7.0Cr6.0Ti2.5Mg0.1 alloy (Figure 12) is caused in particular by their branching or branching (Fig. 13). The AI84,4Fe7 0Cr6,0Ti2 J J J 5Mg0 1 alloy was cast (14 mm) at 750 0 C in a mold preheated to 500 0 C graphite mold. The 88.5AI8.5Fe1, 3V1, 7Si alloys tend to form stem-like crystals rather than the Al84.4Fe7.0Cr6.0Ti2.5Mg0.1 alloy with a dendrite network.
Insgesamt hat es sich auch gezeigt, dass die erfindungsgemäßen AlFeXY-Legierun- gen vorteilhafterweise mit geringer Übertemperatur von max. 150K über der Schmelztemperatur der Legierung zu gießen sind.Overall, it has also been found that the AlFeXY alloys according to the invention advantageously have a low excess temperature of max. 150K above the melting temperature of the alloy.
Tribologisches VerhaltenTribological behavior
Die außermotorischen Charakterisierung des tribologischen Verhaltens der erfindungsgemäßen AlFeXY-Legierungen erfolgte nach der BAM-Prüftechnik, welche die Literaturstelle „Woydt M. and N. Kelling, Characterization of the tribological behaviour of lubricants and materials for the tribosystem „piston ring/Cylinder Liner, in: ASTM STP 1404 „Bench testing of industrial fluid lubrication and wear properties used in machinery applications", June 2000, Seattle, ISBN 0-8031-2867-3, p. 153" detailliert beschreibt. Fig. 14 zeigt den Verschleißkoeffizienten (engl, wear coefficient or rate) von rotierenden Proben aus zwei AIFeXY und von verschiedenen Kolbenringen unter Misch/Grenzreibung in Erstbefüllungsleichtlaufölen SAE OW-30 (FUCHS „PCX") bzw. 5W-30 (Castrol „SLX") (FN = 50 N; s = 24 km; T = 170 °C). Beide in Fig. 14 verwendeten AlFeXY-Legierungen wurden im Vakuum gegossen und die intermetallischen Phasen durch chemisches oder mechanisches (Honen) Freistellen nicht frei gelegt. Die tribologischen Funktionsflächen waren auf RPK -0,43 μm beim AI88,4Fe8,5V1 ,3Si I JZrO1 I und RPK ~ 0,37 μm beimThe off-engine characterization of the tribological behavior of the AlFeXY alloys according to the invention was carried out according to the BAM test technique, which is the reference "Woydt M. and N. Kelling, Characterization of the tribological behavior of lubricants and materials for the tribosystem" piston ring / cylinder liner, in : ASTM STP 1404, "Bench testing of industrial fluid lubrication and wear properties used in machinery applications," June 2000, Seattle, ISBN 0-8031-2867-3, p.153 ". FIG. 14 shows the wear coefficient or rate of rotating samples of two AIFeXY and of different piston rings under mixed / boundary friction in first filling straight running oils SAE OW-30 (FUCHS "PCX") and 5W-30 (Castrol "SLX"). ) (F N = 50 N, s = 24 km, T = 170 ° C). Both AlFeXY alloys used in Figure 14 were vacuum cast and the intermetallic phases were not exposed by chemical or mechanical (honing) release. The tribological functional surfaces were on R PK -0.43 microns at AI88.4Fe8.5V1, 3Si I JZrO 1 I and R PK ~ 0.37 microns at
AI84J4Fe7,0Cr6J0Ti2J5Mg0J 1 geläppt.AI84 J 4Fe7.0Cr6 J 0Ti2 J 5Mg0 J 1 lapped.
Die Fig. 14 gibt die erzielten Versuchsergebnisse in Form des Verschleißkoeffizienten des Grundkörpers (Kolbenring) getrennt vom Gegenkörper (rotierende Probe bzw. Zylinderlaufbahn) mit der zu der jeweiligen Paarung gehörenden Misch- /Grenzreibungszahl wieder. Die in Fig. 14 verwendeten Erstbefüllungsöle SAE 5W-30 und SAE OW-30 auf Basis von Kohlenwasserstoffen verfügen über eine Hochtempe- raturscherviskosität (High-Temperature-High-Shear-Viscosity (HTHS)) von 3,0 mPas. Der GG20HCN ist ein mit 3,66 Gew.-% Kohlenstoff hochgekohlter Grauguss mit lamellarem Graphit. Die Kolbenringbezeichnungen „MKP81A", „MKJet502 (WC/Cr3C2, „superpoliert")" und „CKS36" sind Markenbezeichnungen der Firma Federal Mogul Burscheid GmbH. „Nitriert" bedeutet in den Diagrammen eine „Standardnitrierung" durch die Firma Federal Mogul Burscheid GmbH. Die atmosphärisch, plasmagespritzte (APS) TinO2n-I- und Tin-2Cr2θ2n-i-Ringbeschichtungen stellen Experimentalbeschichtungen für Kolbenringe der Firma CIE Automotive (Tarabusi, Barrio Urquizu 58, ES-48140 Igorre) dar. Die AlFeXY-Legierungen AI84,4Fe7,0Cr6,0Ti2,5Mg0,1 und 88,4AI8,5Fe1,3V1 , 7SiZrO, 1 wurden im Vakuum bei 750°C in einer auf 600°C vorgewärmten Graphitkokille abgegossen.FIG. 14 shows the test results obtained in the form of the wear coefficient of the main body (piston ring) separated from the counterbody (rotating sample or cylinder bore) with the mixing / boundary friction coefficient belonging to the respective pairing. Hydrocarbon-based SAE 5W-30 and SAE OW-30 first fill oils used in FIG. 14 have a high temperature high shear viscosity (HTHS) of 3.0 mPas. The GG20HCN is a 3.66 wt% carbon high carbon gray cast iron with lamellar graphite. The piston ring designations "MKP81A", "MKJet502 (WC / Cr 3 C 2 ," superpolished ")" and "CKS36" are brand names of Federal Mogul Burscheid GmbH. "Nitriert" means in the diagrams a "standard nitration" by the company Federal Mogul Burscheid GmbH. The atmospheric, plasma sprayed (APS) Ti n O 2n-I and Ti n-2 Cr 2 θ 2n- i ring coatings represent experimental coatings for piston rings from CIE Automotive (Tarabusi, Barrio Urquizu 58, ES-48140 Igorre) AlFeXY alloys Al84.4Fe7.0Cr6.0Ti2.5Mg0.1 and 88.4AI8.5Fe1.3V1, 7SiZrO, 1 were poured off in vacuo at 750 ° C in a preheated to 600 ° C graphite mold.
In der BAM-Prüfanordnung gelten nitrierte Ringe gegen AISiI 7 (AISiI 7Cu4Mg, „Alusil" von Kolbenschmidt) oder AISi25Ni4 („Silitec" der PEAK Werkstoff GmbH) bis 25 N Normalkraft als verschleißarm bzw. befinden sich in der Verschleißtieflage, wobei sie oberhalb von ~ 25 N (ölabhängig!) in die Verschleißhochlage übergehen. Der nachfolgenden Tabelle sind die Misch-/Reibkoeffizienten von AISi-Legierungen (chemisch freigestellt) in der BAM-Prüfanordnung (T = 170 0C; s = 24 km; v = 0,3 m/s) im Vergleich zum AI84,4Fe7Cr6Ti2,5Mg0,1 zu entnehmen.In the BAM test arrangement, nitrided rings are considered to be wear-resistant against AISiI 7 (AISiI 7Cu4Mg, "Alusil" from Kolbenschmidt) or AISi25Ni4 ("Silitec" from PEAK Werkstoff GmbH) up to 25 N normal force or are in wear low position ~ 25 N (oil-dependent!) Go into the wear high position. The following table shows the mixing / coefficient of friction of AlSi alloys (chemically optional) in the BAM test arrangement (T = 170 C 0; s = 24 km; v = 0.3 m / s) compared to the AI84,4Fe7Cr6Ti2, 5Mg0,1 to remove.
* Erstbefüllungsöl, **Polypropylenglykolmonobutylether-Motorölformulierung der BAM.* First fill oil, ** Polypropylene glycol monobutyl ether motor oil formulation of BAM.
Im Durchschnitt aus über 200 Versuchen mit hochgekohltem Grauguss GGL20HCN beträgt in der BAM-Prüfanordnung der mittlere Verschleißkoeffizient bei FN= 50 N von GGL20HCN 4,8 10~8 mπϊVNm. Die Verschleißbeständigkeit der mit 0,1 Gew.-% Mg korngefeinten AI84,4Fe7Cr6Ti2,5Mg0,1 -Legierung erzielt gegen den molybdänbasierten MKP81A-Kolbenring eine mit hochgekohltem Grauguss vergleichbare Verschleißbeständigkeit und Tragfähigkeit/Belastbarkeit.On average in the BAM test set, the average wear coefficient at F N = 50 N of GGL20HCN is 4.8 10 ~ 8 mπϊVNm on average of more than 200 trials with high-carbon gray cast iron GGL20HCN. The wear resistance of the 0.1% by weight Mg grain refined AI84.4Fe7Cr6Ti2.5Mg0.1 alloy achieves a wear resistance and load capacity comparable to high carbon black cast iron compared to the molybdenum based MKP81A piston ring.
Auffällig in der Tabelle sind die höheren Reibungszahlen mit dem Erstbefüllungsöl SAE 5W-30 unter Misch-/Grenzreibung der AlFeXY-Legierungen im Vergleich zum GGL20HCN.Conspicuous in the table are the higher coefficients of friction with the first filling oil SAE 5W-30 under mixed / boundary friction of the AlFeXY alloys compared to the GGL20HCN.
Die relativ hohen Mischreibungszahlen können durch die Verwendung eines PoIy- alkylenglykoles (PAG46-4+2,6 Phopani, HTHS = 3,6 mPas) oder eines Polypropylen- glykolmonobutylethers (PPG32-2+2,6 Phopani; HTHS = 2,87 mPas) vermindert werden (siehe Fig. 15). Der im Erstbefüllungsöl SAE OW-30 („PCX") mit einer HTHS von 3,0 mPas enthaltene, metallfreie Reibungserniedriger wirkt beim AIFeCrTi nicht. Gegen einen nitrierten Kolbenring unterstreicht Fig. 15, dass die AI84,4Fe7,0Cr6,0Ti2,5Mg0,1 -Legierung laufbahnseitig, bei gleicher Normalkraft von FN = 50 N, im Rahmen der Präzisionsgrenzen des Prüfverfahrens hinsichtlich des Verschleißkoeffizienten mit dem hochgekohlten Grauguss vergleichbar ist (s = 24 km; T = 170°C). Insbesondere im PPG32-2 ist der Gesamtverschleiß vom Kolbenring und Laufbahn mit denen von GG20HCN vergleichbar.The relatively high mixed friction numbers can be determined by the use of a polyalkylene glycol (PAG46-4 + 2.6 Phopani, HTHS = 3.6 mPas) or a polypropylene glycol monobutyl ether (PPG32-2 + 2.6 Phopani; HTHS = 2.87 mPas ) are reduced (see Fig. 15). The metal-free friction reducer contained in the first filling oil SAE OW-30 ("PCX") with an HTHS of 3.0 mPas does not work with the AIFeCrTi. 1 -Legierunglaufbahnseitig, with the same normal force of F N = 50 N, in the context of the precision limits of the test method in terms of wear coefficient with the highly carbonated gray cast iron is comparable (s = 24 km, T = 170 ° C.) Especially in the PPG32-2 is the Overall wear of the piston ring and raceway comparable to those of GG20HCN.
Bezogen nur auf den „nitrierten" Kolbenring zeigt Fig. 16, dass das AIFeVSi, jedoch insbesondere das AIFeCrTi, in den ölen FUCHS PCX OW-30 und dem Polyglykol PPG32-2+2,6 Phopani eine mit dem hochgekohlten Grauguss GGL20HCN vergleichbare Verschleißbeständigkeit aufweist (FN = 50 N; s = 24 km; T = 170 0C). In Fig. 16 ist noch der Verschleißkoeffizient eines Langzeitversuches (108 km) wiedergegeben, wodurch ein starkes, verschleißsenkendes Einlaufverhalten der AlFeCrTi-Legierung dokumentiert wird.Referring only to the "nitrided" piston ring, Fig. 16 shows that the AIFeVSi, in particular the AIFeCrTi, in the FUCHS PCX OW-30 oils and the PPG32-2 + 2.6 Phopani polyglycol has comparable wear resistance to the high carbon gray cast iron GGL20HCN (F N = 50 N, s = 24 km, T = 170 ° C.) In Fig. 16 is still the wear coefficient of a long-term experiment (108 km) reproduced, whereby a strong, wear-reducing run-in behavior of AlFeCrTi alloy is documented.
Kurbelwellen-Gleitlagerschalen aus „elektischer" AISiI 2CuNiMg (Karl Schmidt GmbH, KS 1275 (Werkstoffnummer 3210.9), heute Kolbenschmidt AG mit 11-13,5% Si, 0,5-1 ,3 Cu, 0,8-1 ,3 Mg, 0,5-1 ,3 Ni, -0,25 Zn, -0,1% Cr, Rest AI) fanden im Doppelstern-Flugmotor BMW 801 Anwendung (Ing. Buske, Die Abhängigkeit der Lagerbelastbarkeit von der Lagerbauform, Bericht über die Schmierstoff-Tagung, Teil 1 : Reibung und Verschleiß, Kälteverhalten, 11. /12. 12. 1941 , Berlin-Adlershof, S. 119- 148), wobei der Kurbelwellenzapfen aus einem "Nitrierstahl" mit HRC 58 bestand. Eine derartige Werkstofflösung ist in der Automobil- und Baumaschinenindustrie seitdem unüblich. Die heutigen Laufflächen der Gleitlagerschalen aus AISn14Cu8, AISn20, PbSn10Cu3, GZ-CuSn7ZnPb oder Bleibronzen sowie auch Gleitlackbeschichtungen erfordern in den Schmierstoffen Korrosionsschutzadditive für Bundmetalle, welche die ökotoxikologischen Eigenschaften deutlich verschlechtern. AISi- oder AlFeXY-Legierungen sind insgesamt weniger korrosionsgefährdet und ermöglichen einen Verzicht oder eine deutliche Senkung der Konzentration der Korrosionsschutzadditive. Bekannt im Stand der Technik ist noch eine AI96(Ni,Mn)- Legierung (Glyco-172) mit einer maximal zulässigen geometrischen Lagerpressung von 80 MPa, welche ermüdungs- und korrosionsbeständig ist, jedoch neigt sie unter Mangelschmierung zum adhäsiven Versagen, was durch die AlFeXY-Metallurgie unterdrückt wird.Crankshaft plain bearing shells made of "electric" AISiI 2CuNiMg (Karl Schmidt GmbH, KS 1275 (material number 3210.9), today Kolbenschmidt AG with 11-13.5% Si, 0.5-1, 3 Cu, 0.8-1, 3 Mg , 0.5-1, 3 Ni, -0.25 Zn, -0.1% Cr, remainder AI) were used in the double-star aircraft engine BMW 801 application (Ing. Buske, The dependence of the bearing load capacity of the bearing design, report on the Lubricant Conference, Part 1: Friction and Wear, Cold Behavior, 11 / 12.12.1941, Berlin-Adlershof, pp. 119-148), wherein the crankshaft journal was made of a "nitriding steel" with HRC 58. Such a material solution is The current running surfaces of plain bearing shells made of AISn14Cu8, AISn20, PbSn10Cu3, GZ-CuSn7ZnPb or lead bronzes, as well as bonded coatings require corrosion inhibiting additives in the lubricants for federal metals, which significantly impair the ecotoxicological properties AISi or AlFeXY alloys are all together with less risk of corrosion and allow a waiver or a significant reduction in the concentration of anti-corrosion additives. Known in the prior art is still an AI96 (Ni, Mn) alloy (Glyco-172) with a maximum allowable geometrical bearing pressure of 80 MPa, which is fatigue and corrosion resistant, but it tends to malfunction due to insufficient lubrication due to the AlFeXY metallurgy is suppressed.
Die tribologische Grenzbelastbarkeit von 100 MPa (geometrische Flächenpressung) der Gleitpaarung „AISi12CuNiMg/Nitrierstahl" im BMW801 -Doppelsternmotor bei einer öleintrittstemperatur von 99°C des vollsynthetischen Schmierstoffes „SS-1600" auf Basis eines Adipinesters und Ethylenöles ist bemerkenswert, da es mit einer kinematischen Viskosität ηiooc~ 6,2 mm2/s noch deutlich „dünner" war als heutige Leichtlauföle mit ηiooc~ 9-12 mitf/s.The tribological limit load capacity of 100 MPa (geometrical surface pressure) of the sliding combination "AISi12CuNiMg / Nitrierstahl" in the BMW801 double star motor at an oil inlet temperature of 99 ° C of the fully synthetic lubricant "SS-1600" based on an adipic ester and ethylene oil is remarkable, as it with a kinematic Viscosity ηiooc ~ 6.2 mm 2 / s was still significantly "thinner" than today's light-running oils with ηiooc ~ 9-12 mitf / s.
Weiterhin vorteilhaft für ein AlFeXY-System ist, dass die Verschleißschutz- und Hochdruckadditive in Motor- und Getriebeölen, auch bedingt durch die Metallurgie der Prüfkörper in Tribometem, auf Eisen abgestimmt sind und nicht auf Silizium.Another advantage of an AlFeXY system is that the wear protection and high pressure additives in engine and gearbox oils, also due to the metallurgy of the specimens in Tribometem, are matched to iron and not to silicon.
Ventilführungen erfordern eine hohe thermische Diffusivität, da sie die Wärme aus dem Ventilschaft in den Zylinderkopf ableiten, verbunden mit einer entsprechenden Verschleißbeständigkeit. Deshalb bestehen Ventilführungen bevorzugt aus Kupfer- basis-Legierungen, wie CuZn36Mn3AI2SiPb (≡ CuZn40AI2 nach DIN 17660 bzw. CW713R) mit λRT ~63 W/mK bzw. KRT ~ 19,7 mm2/s. An den Oberflächen im unteren Teil der Führung des Auslassventils sind Temperaturen von 5000C nicht ungewöhnlich. Die erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen offerieren eine 3-4 mal höhere thermische Diffusivität verbunden mit der notwendigen Temperaturbeständigkeit ohne Schmelzgleichgewichte bis >600°C.Valve guides require high thermal diffusivity because they dissipate heat from the valve stem into the cylinder head, with associated wear resistance. Therefore, valve guides are preferably made of copper base alloys, such as CuZn36Mn3AI2SiPb (≡ CuZn40AI2 according to DIN 17660 or CW713R) with λ RT ~ 63 W / mK or K RT ~ 19.7 mm 2 / s. At the surfaces in the lower part of the guide of the exhaust valve temperatures of 500 0 C are not uncommon. The aluminum alloys according to the invention offer a 3-4 times higher thermal diffusivity combined with the necessary temperature resistance without melt equilibria up to> 600 ° C.
Aluminium-Kolbenwerkstoffe bestehen aus eutektischen AISi12CuXX-Legierungen oder übereutektischen AISiI 8CuXX-Legierungen mit ebenfalls bis zu 0,85 Gew.-% Eisen. Die thermischen Diffusivitäten liegen zwischen 55 mitf/s < KRT < 61,7 mm2/s. Aluminum piston materials consist of eutectic AISi12CuXX alloys or over-eutectic AISiI 8CuXX alloys also containing up to 0.85% by weight iron. The thermal diffusivities are between 55 mitf / s <K RT <61.7 mm 2 / s.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung einer verschleißbeständigen Aluminiumlegierung, umfassend die Schritte: (i) Bereitstellen einer Aluminiumlegierung der ZusammensetzungA method of making a wear resistant aluminum alloy, comprising the steps of: (i) providing an aluminum alloy of the composition
Fe: 3 - 10; X: 3 - 10; Y: 0 - 1 ,5; Z: 0 - 10; worinFe: 3 - 10; X: 3 - 10; Y: 0-1.5; Z: 0-10; wherein
X für ein Element oder eine ElementkombinationX for an element or an element combination
(a) V und Si;(a) V and Si;
(b) Cr und Ti;(b) Cr and Ti;
(c) Ce; oder (d) Mn steht, jeweils mit der Maßgabe, dass der Anteil der einzelnen Elemente in den Elementkombinationen (a) und (b) mindestens 0,5 Gew.-% beträgt; Y für ein oder mehrere Kornfeinungselemente ausgewählt aus der Gruppe B, Ce, Sr, Sc, Mg, Nb, Mn und Zr steht, sofern diese nicht bereits als X vorhan- den sind;(c) Ce; or (d) Mn, in each case with the proviso that the proportion of the individual elements in the element combinations (a) and (b) is at least 0.5% by weight; Y is one or more grain refining elements selected from the group B, Ce, Sr, Sc, Mg, Nb, Mn and Zr, if these are not already present as X;
Z für einen oder mehrere eine Warmfestigkeit erhöhende Zusätze ausgewählt aus der Gruppe keramische Fasern, Partikel und Platelets steht; und wobei sich die Angaben auf Gew.-% an der Legierung beziehen und AI sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen den auf 100 Gew.-% verbleibendenZ is one or more heat resistance additives selected from the group consisting of ceramic fibers, particles and platelets; and wherein the data refer to wt .-% of the alloy and AI and production-related impurities to 100 wt .-% remaining
Restanteil an der Legierung einnehmen, mit der Maßgabe, dass der Anteil von AI an der Legierung mindestens 80 Gew.-% beträgt;Occupy residual amount of the alloy, with the proviso that the proportion of Al in the alloy is at least 80 wt .-%;
(ii) Schmelzen der Aluminiumlegierung, Auflösen und Homogenisieren der Legierungselemente bei Temperaturen von 6500C bis 1.0000C; und (iii) Gießen der Schmelze in eine Gussform bei einer Gießtemperatur, die in einem Bereich beginnend mit einer Schmelztemperatur der Legierung bis zu einer Temperatur von 150°C oberhalb der Schmelztemperatur liegt.(ii) melting the aluminum alloy, dissolving and homogenizing the alloying elements at temperatures from 650 ° C to 1000 ° C; and (iii) casting the melt into a mold at a casting temperature that is in a range from a melting temperature of the alloy to a temperature of 150 ° C above the melting temperature.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Gießtemperatur im Schritt (iii) im Bereich von TC bis 800C oberhalb der Schmelztemperatur der Legierung liegt.2. The method of claim 1, wherein the casting temperature in step (iii) in the range of TC to 80 0 C above the melting temperature of the alloy.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Gießtemperatur im Schritt (iii) im Bereich von 10°C bis 50°C oberhalb der Schmelztemperatur der Legierung liegt. 3. The method of claim 2, wherein the casting temperature in step (iii) is in the range of 10 ° C to 50 ° C above the melting temperature of the alloy.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Temperatur der Gussform im Bereich von 4500C bis 6000C liegt.4. The method according to any one of the preceding claims, wherein a temperature of the mold in the range of 450 0 C to 600 0 C.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Legierung 4 - 8 Gew.-% an Fe enthält.5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the alloy contains 4-8 wt .-% of Fe.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Legierung 3 - 5 Gew.-% an X enthält.6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the alloy contains 3 - 5 wt .-% of X.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Legierung 0,5 - 0,8 Gew.-% an Y enthält.A method according to any one of the preceding claims, wherein the alloy contains 0.5-0.8% by weight of Y.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem X für die Element- kombination (a) steht und ein Anteil von Si kleiner oder gleich 2 Gew.-% beträgt.8. The method according to any one of the preceding claims, wherein X is the element combination (a) and a proportion of Si is less than or equal to 2 wt .-%.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem bei dem X für die Elementkombination (a) steht und ein Anteil von Si kleiner oder gleich 1 Gew.-% beträgt.9. The method of claim 1, wherein X is the element combination (a) and a proportion of Si is less than or equal to 1 wt .-%.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schritte (ii) und (iii) Teil eines metallurgischen Schmelzgießprozesses ausgewählt aus der Gruppe Sandguss, Druckguss, Strangguss, Dünnbandgießen, Schleuderguss und Kalttiegelverfahren sind.10. The method according to any one of the preceding claims, wherein the steps (ii) and (iii) are part of a metallurgical Schmelzgießprozesses selected from the group of sand casting, die casting, continuous casting, thin strip casting, centrifugal casting and cold crucible method.
11. Aluminiumlegierung hergestellt oder erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.11. Aluminum alloy produced or obtainable by a process according to one of claims 1 to 10.
12. Verwendung der Aluminiumlegierung nach Anspruch 11 zur Herstellung von Gleitelementen in Kurbelwellenlagerschalen, Zylinderlaufbahnen, Kolbenringen, Kolben, Ventilführungen, Lagerbuchsen oder Lagerschalen. 12. Use of the aluminum alloy according to claim 11 for the production of sliding elements in crankshaft bearing shells, cylinder liners, piston rings, pistons, valve guides, bearing bushes or bearing shells.
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