NO300450B1 - Fremgangsmåte for fremstilling av bimaterialdeler ved innleggs-stöping på et innlegg belagt med en metallfilm - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for fremstilling av bimaterialdeler ved innleggs-støping på et innlegg belagt med en metallfilm.

Mer spesielt angår oppfinnelsen deler tildannet fra et aluminiumlegeringinnlegg eller et innlegg av et annet metall som jern eller kobber, som er integrert i en aluminium-legeringmatriks, i det minste delvis ved innleggs-støping.

Denne spesielle struktur benyttes for eksempel ved fremstilling av bildeler, som motorsylinderhoder i et forsøk på lokalt å modifisere deres egenskaper, og for innføringsrør i aeronautiske støpte deler.

Det er kjent at slike deler lokalt underkastes spesielle belastninger i bruk, spesielt termiske belastninger, og at det, for å unngå visse ugunstige virkninger på oppførselen, vanligvis i delene innleires innlegg som har egenskaper som bedre tilfredsstiller belastningene enn basismaterialet.

Imidlertid har man merket seg at fremstillingen av disse bimaterialdeler var problematisk, særlig med henblikk på bindingen mellom innlegget og støpemetallet.

På den ene side er således adhesjonen mellom bestanddelene ikke alltid slik den skulle være, og, som et resultat, er de mekaniske eller fysikalske egenskaper som varmeledningsevne, utilstrekkelige, på den annen side og fordi innleggs-støpingen skjer med metallet i smeltet tilstand ved å fylle en form hvori innlegget er plassert, og hvis metallet som utgjør innlegget har en smeltetemperatur som er mindre enn eller nær den til støpemetallet, innlegget blir deformert, noe som er uskadelig for den korrekte lokalisering.

Det er allerede foreslått løsninger på dette problem. For eksempel skal det henvises til EP 384045 som beskriver: "en fremgangsmåte for oppnåelse av en metallurgisk binding mellom et metallmateriale eller et komposittmateriale med en metallmatriks, og et metallstøpeprodukt eller et metall-legerings-støpeprodukt som omfatter behandling av overflaten av materialet med en avsetning av et fint metallsjikt, vanligvis forskjellig fra metallene inneholdt i materialet og det støpte produkt og som er i stand til å øke støpbarheten mellom støpemetallet og materialet, og også varmeoverførings-koeffesienten mellom produktene som skal bindes sammen; og et trinn for støping rundt komposittmaterialet av det samme metall, anbragt inne i formen, metallet eller metall-legeringen av det støpte produkt."

I denne søknad består det fine sjikt som gjør det mulig å danne den metallurgiske binding, av et metall som tilhører gruppen bestående av gull, sølv, kobber, nikkel, platina, krom, wolfram, iridium, molybden, tantal, niob, osmium, rhenium, rhodium, ruthenium og zirkonium.

I henhold til denne søknad er de fine sjikt av metall i stand til å gi et innlegg med evnen til å kunne støpes for å tillate varmeoverføring til innlegget. Det angis at oksydsjiktet på overflaten av innlegget må vaskes med det flytende støpemetall.

For å løse problemet med å binde innlegget til støpemetallet, er det av de herværende oppfinnere også foreslått en løsning FR 2.665.383. Denne løsning består i: "å fjerne det naturlige aluminiumsjikt som er tilstede på overflaten av innlegget ved sur eller basisk vasking og derefter nybelegning av det umiddelbart derefter med en film som er impermeabel overfor metallgasser og har en fri energi for oksyddannelse over -500 kJ/mol oksygen mellom omgivelsestemperatur og 1000 K, med en smeltetemperatur som er høyere enn den til innlegget og til støpemetallet, er oppløselig i flytende aluminium og med aluminium danner et eutektikum, ved å anbringe et belagt innlegg i en form som er fylt med støpeleger ingen ved en temperatur slik at minst 30% av innlegget partielt smeltes igjen."

Selv om disse løsninger effektivt forbedrer den metallurgiske binding mellom innlegget og støpemetallet ved å redusere eller å fjerne sjiktet av aluminiumoksyd på overflaten av innlegget, tar løsningene ikke i betraktning det oksyd som er tilstede på overflaten av det flytende smeltede metall som utgjør et heller betydelig hinder mot en perfekt binding mellom de tilstedeværende materialer.

Av denne grunn har man, i et forsøk på å løse oksydproblemet, lett efter og perfeksjonert en prosess for å oppnå bimaterialdeler ved innleggs-støping av en aluminiumslegering eller et innlegg belagt med en metallfilm og som karakteriseres ved at oksydsjiktet av innlegget fjernes ved behandling under vakuum og at innlegget derefter behandles med en titanbasert film ved fysisk avsetning i dampfase og det belagte innlegg derefter anbringes i en form som fylles med smeltelegeringen.

Således består oppfinnelsen av tre forskjellige behandlinger.

Den første består i til å begynne med, å fjerne oksydsjiktet som fremdeles er tilstede på overflaten av innlegget ved behandling i et kammer under vakuum for å tillate skikkelig adhesjon med filmen med hvilken den derefter skal belegges. Her skal oppmerksomheten henledes på den kjente teknikk der oksydsjiktet fjernes;

- enten ved sur eller basisk vasking med bruk av kjemiske produkter som er giftige eller korrosive i varierende grad

eller som er skadelige overfor omgivelsene; - eller ved å vaske med støpemetallet i smeltet tilstand, noe som gir nærvær av oksyderte partikler i metallet, noe som i sin tur er ugunstig for den egentlige oppførsel for de således fremstilte bimetalldeler.

Det benyttede innlegg har form av en masse av en hvilken som helst geometrisk form: enten av en aluminiumslegering;

eller av en aluminiumslegering armert med et skjelett av ildfast materiale, fortrinnsvis tildannet av aluminiums-f ibre;

eller av et jernholdig- eller kobberprodukt.

Den andre handling består i å behandle innlegget med en titanbasert film.

Denne film avsettes ved bruk av en avsetningsteknikk i dampfase under redusert trykk og kan oppnås i kammeret der oksydsjiktet fjernes, noe som er fordelaktig ved at reoksy-dering fullstendig unngås, og et sjikt av rent metall holdes på overflaten av innlegget.

Filmen dannes enten av rent titan eller av en titanlegering, fortrinnsvis den som er kjent som TA6V og hvis vektsammenset-ning er b% aluminium, 4 % vanadium og resten titan og vanlige urenheter.

Sammenlignet med andre metaller og legeringer som benyttes i teknikken, er titan og legeringer derav i stand til å være meget effektive reduksjonsmidler for aluminium ved flyt-temperaturen for aluminiums-støpelegeringen på en slik måte at de tillater at oksygen på kontaktoverflaten mellom filmen og legeringen innfanges og at det dannes en perfekt binding.

På grunn av de spesielle egenskapene til titan, er virkelig innfanging involvert fordi oksygen ikke med det egentlige titan danner noe oksygen som kunne danne et hinder mot bindingen, men en fast innskutt oppløsning på en slik måte at metallbindingen fremdeles forblir.

I tillegg er titan og legeringer derav ikke særlig oksyder-bare ved omgivelsestemperatur, og det tillater at belagte innlegg kan lagres uten noen reoksydasjonsrisiko, noe som gir mer prosessfrinet hva angår bruken av beskyttelsesmidler for innleggene og tiden som er tillatt for deres bruk.

Titan som avsettes på denne måte, adherer meget godt, og dette gir opphav til belagte innlegg som kan behandles uten noen spesielle forholdsregler.

Den tredje handling består i å anbringe det belagte innlegg i en form som fylles med støpelegeringen.

Denne form kan være sand, metall eller voks, og støpingen kan gjennomføres ved bruk av forskjellige teknikker som støping ved tyngdekraft eller ved lavt trykk, støping-smiing eller støping under trykk.

Eva angår innleggs-støping av legeringen, foretrekker man, på tross av det faktum at enhver aluminiumslegering er egnet, støpelegeringer som tilfredsstiller franske krav og standard-ene til Aluminium Association (i parentes), og det skal nevnes: A-S5U3 og A-S7U3 (319), A-S9U3 (380), A-S7G0.3 (A356), A-S7G0.6 (A357), A-U5GT (A204 og A206), A-U5GT med sølv (A201).

Innlegg-metallbindingen som skal innleggs-støpes, kan være av to typer: hvis titansjiktet på overflaten er tynt, det vil si i størrelsesorden 1 pm, alternerer bindingen mellom en metallurgisk binding direkte mellom støpelegeringen og innlegget der titansjiktet er brutt, og en dobbel inn-leggs/titan- og titan/støpelegeringsbinding; - hvis titansjiktet er tykt, det vil si over 3 pm, er bindingen hovedsakelig i form av en dobbel innleggs/titan-og titan/støpelegeringsbinding.

Den første løsning kan benyttes når innlegget er aluminium-basert fordi det ikke er noen mangel ved kontakt mellom de to metaller, og tykkelsen av filmen kan være mellom 0,5 og 3 pm.

Den andre løsning benyttes med aluminiumbaserte innlegg og kobber- eller jernlegeringsinnlegg fordi, når det gjelder kobber, det er nødvendig å forhindre dannelsen av et AlCu-eutektikum ved lavt smeltepunkt som kan gi opphav til avbrenningseffekter, og i tilfellet kobber, den til sprø AlFe-intermetalliske eutektika.

I det sistnevnte tilfelle er det mulig å gjennomføre en dobbeltavsetning i dampfase: et første sjikt av et element som danner en effektiv barriere mot diffusjon og derefter et andre sjikt som adherer til det første og som dannes av titan og som tar sikte på å danne bindingen med det støpte aluminium, og fortrinnsvis med en tykkelse mellom 2 og 10 pm med et optimum mellom 3 og 8 pm.

Denne prosess er også fordelaktig sammenlignet med foreliggende oppfinneres tidligere kjente teknikk idet at den ikke nødvendiggjør noen partiell omsmelting av innlegget på grunn av det oksydgriske titan på overflaten av den smeltede metalloverflate, og kan således benyttes under relativt lavere temperaturbetingelser.

Oppfinnelsen skal illustreres nærmere under henvisning til de ledsagende tegninger der: fig. 1 viser en 400 gangers forstørrelse av forbind- elsen (toppen) mellom et aluminiumslegering-innlegg, typen 6061 standardisert av Aluminium Association og en aluminiums-støpelegering, type 319, ved bruk av en TA6V-film med tykkelse 1 pm (eksempel 1.1);

fig. 2 viser en 200 gangers forstørrelse av den samme forbindelse ved bruk av en TA6V-film med

tykkelse 8 pm (eksempel 1.2);

fig. 3 viser en 200 gangers forstørrelse av forbind-elsen (bunnen) mellom et 6061-innlegg, armert med aluminiumsfibre, og en 319-støp ved bruk av

en TA6V-film med tykkelse 1 pm (eksempel 2.1);

fig. 4 viser en 200 gangers forstørrelse av forbind-elsen mellom et innlegg og en støp av samme type som ovenfor ved bruk av en ren titanfilm med

tykkelse 1 pm (eksempel 2.2); og

fig. 5 viser en 200 gangers forstørrelse av forbind-elsen mellom et kobberinnlegg (bunnen) og en 380-støp ved bruk av en titanfilm med tykkelse 1 pm (eksempel 3).

I alle disse tegninger merker man seg en kontinuerlig binding mellom innlegg og støpelegering.

Oppfinnelsen sak også illustreres ved hjelp av de følgende eksempler:

EKSEMPEL 1

Det benyttes en aluminiumslegering, type 6061, standardisert av Aluminium Association, hvilket innlegg i dampfase (P.V.D.) er belagt med en TA6V-film, og rundt hvilket det støpes en aluminiumslegering som på vektbasis inneholder 6$ silisium og 85é kobber.

I en første prøve avsettes det en film med tykkelse 1 pm, og det måles en mekanisk motstandsevne på innlegg-støpe-legerings-grenseflaten på 90 MPa.

I en andre prøve avsettes det en film med en tykkelse på

8 pm, og det måles en motstandsevne på 105 MPa.

EKSEMPEL 2

Det benyttes en aluminiumslegering av typen 6061 inneholdende 20 volum-# aluminiumsfibre, og støpelegeringen var av samme type som i eksempel 1.

I en første prøve ble en TA6V-film med tykkelse 1 pm avsatt ved bruk av P.V.D.-teknikken, og det ble målt en strekkstyrke på grenseflatene på 120 MPa.

I en andre prøve ble den samme teknikk benyttet for å avsette en ren titanfilm med tykkelse 1 pm, og man oppnådde en styrkeverdi på 135. MPa.

EKSEMPEL 3

Det ble benyttet et kobberinnlegg som ble belagt med en titanfilm med tykkelse 5 pm rundt hvilket det ble støpt en aluminiumslegering som på vektbasis inneholdt 9% silisium og 3$ kobber.

Foreliggende oppfinnelse finner for eksempel anvendelse ved fremstilling av bildeler som motorsylinderhoder og for innføring av lokale forsterkninger og rør i flydeler.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av bimaterialdeler ved inn-leggs-støping av en aluminiumslegering på et metallinnlegg som er belagt med en metallfilm, karakterisert ved at oksydsjiktet av innlegget fjernes ved behandling under vakuum, at innlegget så behandles med en titanbasert film ved fysisk avsetning i dampfase og at det belagte innlegg anbringes i en form som fylles med støpelegeringen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at innlegget består av en aluminiumslegering.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at innlegget består av en aluminiumslegering som er armert med et skjelett av ildfast materiale.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at innlegget består av et jernholdig produkt.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at innlegget består av et kobberprodukt.

6. <<?> Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at filmen er ren titan eller en legering derav.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at legeringen er TA6V.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at støpelegeringen er en aluminiumslegering som tilsvarer gruppen A-S5U3, A-S7U3, A-S9U3.

9 . Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at støpelegeringen er en aluminiumslegering som hører til gruppen A-S7G0,3 og A-S7G0,6.

10 . Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at støpelegeringen hører til gruppen bestående av A-U5GT og S-U5GT med sølv.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at filmen har en tykkelse mellom 0,5 og 3 pm.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at filmen har en tykkelse mellom 2 og 10 pm.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at filmen har en tykkelse mellom 3 og 8 pm.