EP1943039B1 - Method for producing a wear-resistant aluminum alloy, an aluminum alloy obtained according to the method, and use thereof - Google Patents
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- EP1943039B1 EP1943039B1 EP06792791A EP06792791A EP1943039B1 EP 1943039 B1 EP1943039 B1 EP 1943039B1 EP 06792791 A EP06792791 A EP 06792791A EP 06792791 A EP06792791 A EP 06792791A EP 1943039 B1 EP1943039 B1 EP 1943039B1
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine neue Verwendung einer verschleißbeständigen Aluminiumlegierung.The invention relates to a new use of a wear-resistant aluminum alloy.
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 thermochemisch behandelt sein. Seit den dreißiger Jahren des vergangenen Jahrhunderts sind Zylinderlaufbahnen aus eutektischen AlSi-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 also be coated or treated thermochemically. Since the thirties of the last century, cylinder liners made of eutectic AlSi alloys ("silumin") with coarse Si primary crystals have been known and used in motor applications. These may contain up to 1.3% by weight of iron. The material matrix of these concepts is based on aluminum and silicon. 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 treatments of the raceways, so that the hard silicon crystals (Hv ~ 12 - 14 GPa) form the supporting component.
Den niedrigsten Systemverschleiß (Kolbenring und Zylinderlaufbahn) erzielen AlSi-Laufbahnen gegen nitrierte Kolbenringe, die mit der Verschleißerwartung von hochgekohlten Grauguss-Zylinderlaufbahnen (3,3 - 3,8 Gew.-% C) identisch oder z.T. auch besser sein kann. Die Patentschrift
Insgesamt zeigte sich jedoch, dass diese bewährte Paarung aus AlSi-Legierungen tribologisch nicht mehr den Belastungen neuer bzw. zukünftiger hochaufgeladener und/oder mit wasserstoffbetriebenen Motoren standhält. Dabei kristallisiert sich heraus, dass dies sowohl für AlSi17- (Alusil) wie auch für AlSi25-Legierungen ("SILITEC") gilt. Weiterhin limitiert sind die AlSi-Legierungen in der tribologischen Gutlast bzw. Fresslast hinsichtlich der tribologischen Hochdruckeigenschaften.Overall, however, it has been shown that this proven pairing of AlSi alloys no longer tribologically resists the loads of new or future highly-charged and / or hydrogen-powered engines. It turns out that this applies to AlSi17 (Alusil) as well as AlSi25 alloys ("SILITEC"). Furthermore, the AlSi 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. Al-9,0Si-0,5Mg (A359), zeichnet sich durch eine mit der Temperatur stark abfallende Festigkeit aus und durch folgende eutektische Gleichgewichte mit geringer Temperatur:
- a. Al-Mg2Si-Mg mit einer Schmelztemperatur von 555°C,
- b. Al-Mg2Si-Al3Mg2 mit einer Schmelztemperatur von 451 °C oder
- c. Al30,9Mg69,1 ⇔ Mg + Mg17Al12 + Mg2Si mit einer Schmelztemperatur von 437°C.
- a. Al-Mg 2 Si-Mg having a melting temperature of 555 ° C,
- b. Al-Mg 2 Si-Al 3 Mg 2 with a melting temperature of 451 ° C or
- c. Al 30.9 Mg 69.1 ⇔ Mg + Mg 17 Al 12 + Mg 2 Si with a melting temperature of 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 AlSi-Legierungen kann durch keramische Fasern, Partikel und/oder Platelets verbessert werden, wie z.B. AlSiMg 30 Vol.-% SiCp (Lanxide Corp., Al-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 Vol.-% Al2O3 (Al-1%Mg+ 30 Gew.-% Al2O3 (PRIMEX™). Allerdings wird der Kolbenringverschleiß durch die keramischen Phasen sehr negativ beeinflusst.The hot strength of AlSi alloys can be improved by ceramic fibers, particles and / or platelets, such as
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, resulting in cylinder liner coatings 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
Die Patentschrift
Sämtliche ultrahochfesten 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
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Die Patentanmeldung
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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.
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer verschleißbeständigen Aluminiumlegierung zur Herstellung von Gleitelementen in Kurbelwellenlagerschalen, Zylinderlaufbahnen, Kolbenringen, Kolben, Ventilführungen, Lagerbuchsen oder Lagerschalen. Die Aluminiumlegierung ist hergestellt nach einem Verfahren umfassend die Schritte:
- (i) Bereitstellen einer Aluminiumlegierung der Zusammensetzung
- Fe: 3 - 10;
- X: 3 - 10;
- Y: 0 - 1,5;
- Z: 0 - 10;
X für ein Element oder eine Elementkombination- (a) V und Si;
- (b) Cr und Ti;
- (c) Ce; oder
- (d) Mn
- (ii) Schmelzen der Aluminiumlegierung, Auflösen und Homogenisieren der Legierungselemente bei Temperaturen von 650°C bis 1.000°C; 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.
- (i) providing an aluminum alloy of the composition
- Fe: 3 - 10;
- X: 3 - 10;
- Y: 0-1.5;
- Z: 0-10;
X for an element or an element combination- (a) V and Si;
- (b) Cr and Ti;
- (c) Ce; or
- (d) Mn
- (ii) melting the aluminum alloy, dissolving and homogenizing the alloying elements at temperatures of 650 ° C to 1000 ° C; and
- (iii) casting the melt into a mold at a casting temperature which is in a range from a melting temperature of the alloy to a temperature of 150 ° C above the melting temperature.
Verschleißbeständigkeit, tribologische Tragfähigkeit und Warmfestigkeit der Aluminiumbasis-Legierungen werden verbessert. Ursache hierfür mögen im Gefüge ausgeschiedene intermetallische Phasen sein, wie z.B. AlFe3, Al3Fe (Hv - 9,8 GPa, Θ), Al5Fe2 (η, Hv~ 10,5 GPa), Al6Fe, Al13Fe4, Al5Fe2 (η, Hv~ 10,5 GPa), Al3(Ti, Cr), Al3Ti, Al4(Cr, Fe), Al10(Cr, Fe), AlSi2 oder Al8Fe2Si, welche Mikrohärten von 4.000-8.000 MPa aufweisen.Wear resistance, tribological carrying capacity and heat resistance of the aluminum base alloys are improved. This may be due to intermetallic phases precipitated in the microstructure, such as AlFe 3 , Al 3 Fe (Hv - 9.8 GPa, Θ), Al 5 Fe 2 (η, H v ~ 10.5 GPa), Al 6 Fe, Al 13 Fe 4 , Al 5 Fe 2 (η, H v ~ 10.5 GPa), Al 3 (Ti, Cr), Al 3 Ti, Al 4 (Cr, Fe), Al 10 (Cr, Fe), AlSi 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-Al ⇔ Al3Fe) 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 exceed 1.0 wt% Si. The intermetallic phases are formed from eutectic (α-Al ⇔ Al 3 Fe) and peritectic phase equilibria.
Die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen unterscheiden sich morphologisch vor allem in der Ausbildungsform der Dendriten aus intermetallischen Phasen von den in bekannten AlSi-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.The alloys used according to the invention differ morphologically, above all in the embodiment of the dendrites from intermetallic phases, from the silicon crystals precipitated in known AlSi 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.
Die im festen Zustand im Aluminium nicht oder kaum löslichen Legierungselemente, wie z.B. Fe, Ti, Cr, Mo oder V, sind mittels einfacher Gusstechnologie als homogene, seigerungsfreie Gefüge darstellbar. Dieses wird insbesondere durch die Kornfeinung mit einem Element ausgewählt aus der Gruppe B, Ce, Sr, Sc, Mg, Nb, Mn und Zr sowie durch spezielle Gießtemperaturen erzielt.The solid state in the aluminum, or hardly soluble alloying elements, such as. Fe, Ti, Cr, Mo or V, can be represented by means of simple casting technology as a homogeneous, segregation-free structure. This is achieved in particular by the grain refining with an element selected from the group B, Ce, Sr, Sc, Mg, Nb, Mn and Zr and by special casting temperatures.
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 belegt, dass sich durch Halten der Temperatur der Schmelze auf über 650 °C 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 been proven experimentally that by maintaining the temperature of the melt at more than 650 ° C, a phase equilibrium over the entire volume of the material in a useful period for commercial application sets.
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 Kornfeinung zulegiert werden. Die Kornfeinung 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 homogenizing, between 0.5% by weight and 0.8% by weight of one or more of the elements selected from among boron, Ce, Sr, Sc, Mg, Nb, Mn or Zr may be used for grain refinement be alloyed. Grain refinement primarily reduces the size of the dendrites of the intermetallic phases precipitated on solidification, but also leads to an increase in the number of nuclei / density during the primary crystallization of the aluminum.
Eine höhere Abkühlungsgeschwindigkeit von >100 K/s erzielt denselben Effekt, so dass die Kornfeinung 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.A higher cooling rate of> 100 K / s achieves the same effect, so that the grain refining is advantageously to be used for larger wall thicknesses of the castings 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.
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).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 10°C bis 50°C, 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 ° C to 50 ° 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 erfindungsgemäß verwendeten 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 used 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.
Die Erfindung betrifft ferner Kurbelwellenlagerschalen, Zylinderlaufbahnen, Kolbenringen, Kolben, Ventilführungen, Lagerbuchsen oder Lagerschalen mit einem Gleitelement aus zuvor genannter Aluminiumlegierung.The invention further relates to crankshaft bearing shells, cylinder liners, piston rings, pistons, valve guides, bearing bushes or bearing shells with a sliding element of the aforementioned aluminum alloy.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazu gehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1 bis 3
- Probenquerschnitte durch AlFeVSi-Legierungen;
- Fig. 4 und 5
- geätzte und ungeätzte REM-Aufnahmen einer 88,5Al8,5Fe1,3V1,7Si-Legierung;
- Fig. 6
- einen Probenquerschnitt durch eine AlFeCrTi-Legierung;
- Fig. 7 bis 9
- REM-Aufnahmen der AlFeCrTi-Legierung;
- Fig. 10
- eine LOM-Aufnahme der AlFeCrTi-Legierung;
- Fig. 11
- eine LOM-Aufnahme einer rasch abgekühlten AlFeCrTi-Legierung mit Restschmelze;
- Fig. 12 und 13
- LOM-Aufnahmen einer Al84,4Fe7Cr6Ti2,5Mg0,1-Legierung und
- Fig. 14 bis 16
- Versuchsergebnisse zum tribologischen Verhalten der Legierungen.
- Fig. 1 to 3
- Sample cross sections through AlFeVSi alloys;
- 4 and 5
- etched and unetched SEM micrographs of a 88.5Al8.5Fe1.3V1.7Si alloy;
- Fig. 6
- a sample cross section through an AlFeCrTi alloy;
- Fig. 7 to 9
- SEM images of the AlFeCrTi alloy;
- Fig. 10
- a LOM image of the AlFeCrTi alloy;
- Fig. 11
- a LOM image of a rapidly cooled AlFeCrTi alloy with residual melt;
- FIGS. 12 and 13
- LOM images of an Al84.4Fe7Cr6Ti2.5Mg0.1 alloy and
- Fig. 14 to 16
- Test results on the tribological behavior of the alloys.
Die nachfolgenden
Die
Die
Neben der Ausscheidung von "primären" Dendriten aus Al3Fe (001-1265) und Al80V12Fe7,5 (JCPDS Nr.: 040-1229) in der 88,5Al8,5Fe1,3V1,7Si-Legierung zeigen die REM-Aufnahmen der
Das Legierungssystem Al84,4Fe7,0Cr6,0Ti2,5 scheidet auch ein dichtes, aber geschlossenes, primäres Dendritennetzwerk aus (siehe
Wie auch bei der 88,5Al8,5Fe1,3V1,7Si-Legierung, zeigt die AlFeCrTi-Legierung ein feines, "perlitartiges" Muster aus dem eutektischen Zerfall der Restschmelze der Al84,4Fe7,0Cr6,0Ti2,5-Legierung (
Durch Verringerung der Differenz zwischen Gieß- und Kokillentemperatur auf 250K und durch Kornfeinung mittels 0,1 Gew.-% Mg erscheint das Dendritennetzwerk in einer Al84,4Fe7,0Cr6,0Ti2,5Mg0,1-Legierung etwas feiner (
Insgesamt hat es sich auch gezeigt, dass die erfindungsgemäßen AlFeXY-Legierungen vorteilhafterweise mit geringer Übertemperatur von max. 150K über der Schmelztemperatur der Legierung zu gießen sind.Overall, it has also been shown that the AlFeXY alloys according to the invention advantageously with a low excess temperature of max. 150K above the melting temperature of the alloy.
Die außermotorischen Charakterisierung des tribologischen Verhaltens der erfindungsgemäßen AlFeXY-Legierungen erfolgte nach der BAM-Prüftechnik, welche die Literaturstelle "
Die tribologischen Funktionsflächen waren auf RPK ~0,43 µm beim Al88,4Fe8,5V1,3Si1,7Zr0,1 und RPK ~ 0,37 µm beim Al84,4Fe7,0Cr6,0Ti2,5Mg0,1 geläppt.The tribological functional surfaces were lapped at R PK ~ 0.43 μm at Al88.4 Fe8.5 V 1.3 S.1.7 Zr0.1 and R PK ~ 0.37 μm at Al84.4 Fe7.0 Cr6.0 Ti2.5 Mg0.1.
Die
In der BAM-Prüfanordnung gelten nitrierte Ringe gegen AlSi17 (AlSi17Cu4Mg, "Alusil" von Kolbenschmidt) oder AlSi25Ni4 ("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 AlSi-Legierungen (chemisch freigestellt) in der BAM-Prüfanordnung (T = 170 °C; s =24 km; v = 0,3 m/s) im Vergleich zum Al84,4Fe7Cr6Ti2,5Mg0,1 zu entnehmen.
Kolbenring
[N]
Ti2,5Mg0,1
piston ring
[N]
Ti2,5Mg0,1
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 mm3/Nm. Die Verschleißbeständigkeit der mit 0,1 Gew.-% Mg komgefeinten Al84,4Fe7Cr6Ti2,5Mg0,1-Legierung erzielt gegen den molybdänbasierten MKP81A-Kolbenring eine mit hochgekohltem Grauguss vergleichbare Verschleißbeständigkeit und Tragfähigkeit/Belastbarkeit.In the BAM test set, the average wear coefficient at F N = 50 N of GGL20HCN is 4.8 10 -8 mm 3 / Nm on average from more than 200 trials with highly-carbonated gray cast iron GGL20HCN. The wear resistance of the Al84.4Fe7Cr6Ti2.5Mg0.1 alloy, which has been compounded with 0.1% by weight Mg, achieves wear resistance and load capacity comparable to high-carbon gray 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
Die relativ hohen Mischreibungszahlen können durch die Verwendung eines Polyalkylenglykoles (PAG46-4+2,6 Phopani, HTHS = 3,6 mPas) oder eines Polypropylenglykolmonobutylethers (PPG32-2+2,6 Phopani; HTHS = 2,87 mPas) vermindert werden (siehe
Bezogen nur auf den "nitrierten" Kolbenring zeigt
Kurbelwellen-Gleitlagerschalen aus "eutektischer" AlSi12CuNiMg (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 Al) 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 AlSn14Cu8, AlSn20, PbSn10Cu3, GZ-CuSn7ZnPb oder Bleibronzen sowie auch Gleitlackbeschichtungen erfordern in den Schmierstoffen Korrosionsschutzadditive für Bundmetalle, welche die ökotoxikologischen Eigenschaften deutlich verschlechtern. AlSi- 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 Al96(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 "eutectic" AlSi12CuNiMg (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, balance Al) were used in the double-star BMW 801 aircraft engine (Ing. Buske, The dependence of the bearing load on the bearing design, Lubricant report -Tagung, Part 1: friction and wear, cold behavior, 11./12 12. 1941, Berlin-Adlershof, pp. 119-148), wherein the crankshaft journal made of a "nitriding steel" with HRC 58 was. Such a material solution has been uncommon in the automotive and construction machinery industry ever since. The current running surfaces of the sliding bearing shells made of AlSn14Cu8, AlSn20, PbSn10Cu3, GZ-CuSn7ZnPb or lead bronzes as well as anti-friction coatings require in the lubricants corrosion protection additives for federal metals, which significantly impair the ecotoxicological properties. On the whole, AlSi or AlFeXY alloys are less susceptible to corrosion and make it possible to avoid or significantly reduce the concentration of the corrosion protection additives. Known in the art is still an Al96 (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 "AlSi12CuNiMg/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 η100C~ 6,2 mm2/s noch deutlich "dünner" war als heutige Leichtiauföle mit η100C~ 9-12 mm2/s.The tribological limit load capacity of 100 MPa (geometrical surface pressure) of the sliding combination "AlSi12CuNiMg / Nitrierstahl" in the BMW801 double star engine at an oil inlet temperature of 99 ° C of the fully synthetic lubricant "SS-1600" based on an adipic ester and ethylene oil is noteworthy, since it with a kinematic Viscosity η 100C ~ 6.2 mm 2 / s was still significantly "thinner" than today's Leichtiauföle with η 100C ~ 9-12 mm 2 / 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 Tribometern, 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 test specimens in tribometer, 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 Kupferbasis-Legierungen, wie CuZn36Mn3Al2SiPb (≅ CuZn40Al2 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 500°C 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-based alloys, as CuZn36Mn3Al2SiPb (≅ CuZn40Al2 according to DIN 17660 or CW713R) with λ RT -63 W / mK or K RT ~ 19.7 mm 2 / s. Temperatures of 500 ° C are not uncommon on the surfaces in the lower part of the outlet valve guide. 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 AlSi12CuXX-Legierungen oder übereutektischen AlSi18CuXX-Legierungen mit ebenfalls bis zu 0,85 Gew.-% Eisen. Die thermischen Diffusivitäten liegen zwischen 55 mm2/s < KRT < 61,7 mm2/s.Aluminum piston materials consist of AlSi12CuXX eutectic alloys or hypereutectic AlSi18CuXX alloys with up to 0.85% iron by weight. The thermal diffusivities are between 55 mm 2 / s <K RT <61.7 mm 2 / s.
Claims (11)
- Use of a wear-resistant aluminium alloy produced by a method comprising the steps of:(i) providing an aluminium alloy of the compositionFe: 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;in each case with the proviso that the proportion of the individual elements in the combinations of elements (a) and (b) is at least 0.5% by weight;
Y represents one or more grain-refining elements selected from the group of B, Ce, Sr, Sc, Mg, Nb, Mn and Zr, unless these are already present as X;
Z represents one or more ceramic additives increasing hot strength, selected from the group of fibres, particles and platelets; and
where the figures are based on % by weight in terms of the alloy, and Al and also production-related impurities occupy the remaining proportion to 100% by weight of the alloy, with the proviso that the proportion of Al in the alloy is at least 80% by weight;(ii) melting the aluminium alloy, dissolving and homogenizing the alloy elements at temperatures of 650°C to 1000°C; and(iii) casting the melt into a casting mould at a casting temperature situated within a range beginning with a melting temperature of the alloy up to a temperature of 150°C above the melting temperature;for the production of sliding elements in crankshaft bearing shells, cylinder faces, piston rings, pistons, valve guides, bearing bushes or bearing shells. - Use according to Claim 1, wherein the casting temperature in step (iii) is situated within the range from 1°C to 80°C above the melting temperature of the alloy.
- Use according to Claim 2, wherein the casting temperature in step (iii) is situated within the range from 10°C to 50°C above the melting temperature of the alloy.
- Use according to any of the preceding claims, wherein a temperature of the casting mould is situated within the range from 450°C to 600°C.
- Use according to any of the preceding claims, wherein the alloy comprises 4-8% by weight of Fe.
- Use according to any of the preceding claims, wherein the alloy comprises 3-5% by weight of X.
- Use according to any of the preceding claims, wherein the alloy comprises 0.5-0.8% by weight of Y.
- Use according to any of the preceding claims, wherein X represents the combination of elements (a) and a proportion of Si is less than or equal to 2% by weight.
- Use according to Claim 1, wherein X represents the combination of elements (a) and a proportion of Si is less than or equal to 1% by weight.
- Use according to any of the preceding claims, wherein the steps (ii) and (iii) are part of a metallurgical melt casting process selected from the group of sand casting, pressure casting, continuous casting, thin-strip casting, centrifugal casting and cold crucible processes.
- Crankshaft bearing shell, cylinder face, piston ring, piston, valve guide, bearing bush or bearing shell having a sliding element made of an aluminium alloy which is produced by a method comprising the steps of:(i) providing an aluminium alloy of the compositionFe: 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;in each case with the proviso that the proportion of the individual elements in the combinations of elements (a) and (b) is at least 0.5% by weight;
Y represents one or more grain-refining elements selected from the group of B, Ce, Sr, Sc, Mg, Nb, Mn and Zr, unless these are already present as X;
Z represents one or more ceramic additives increasing hot strength, selected from the group of fibres, particles and platelets; and
where the figures are based on % by weight in terms of the alloy, and Al and also production-related impurities occupy the remaining proportion to 100% by weight of the alloy, with the proviso that the proportion of Al in the alloy is at least 80% by weight;(ii) melting the aluminium alloy, dissolving and homogenizing the alloy elements at temperatures of 650°C to 1000°C; and(iii) casting the melt into a casting mould at a casting temperature situated within a range beginning with a melting temperature of the alloy up to a temperature of 150°C above the melting temperature.
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27O | Opposition rejected |
Effective date: 20170419 |
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