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EP0848760A1 - Verfahren zur herstellung von dünnen rohren - Google Patents

Verfahren zur herstellung von dünnen rohren

Info

Publication number
EP0848760A1
EP0848760A1 EP96930114A EP96930114A EP0848760A1 EP 0848760 A1 EP0848760 A1 EP 0848760A1 EP 96930114 A EP96930114 A EP 96930114A EP 96930114 A EP96930114 A EP 96930114A EP 0848760 A1 EP0848760 A1 EP 0848760A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bolts
extrusion
tube
alloy
sections
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP96930114A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0848760B1 (de
Inventor
Bernhard Commandeur
Rolf Schattevoy
Klaus Hummert
Dirk Ringhand
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
WKW AG
Original Assignee
Erbsloeh AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Erbsloeh AG filed Critical Erbsloeh AG
Publication of EP0848760A1 publication Critical patent/EP0848760A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0848760B1 publication Critical patent/EP0848760B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/0408—Light metal alloys
    • C22C1/0416—Aluminium-based alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C23/00—Extruding metal; Impact extrusion
    • B21C23/02—Making uncoated products
    • B21C23/18—Making uncoated products by impact extrusion
    • B21C23/183—Making uncoated products by impact extrusion by forward extrusion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C23/00—Extruding metal; Impact extrusion
    • B21C23/02—Making uncoated products
    • B21C23/18—Making uncoated products by impact extrusion
    • B21C23/186—Making uncoated products by impact extrusion by backward extrusion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C33/00—Feeding extrusion presses with metal to be extruded ; Loading the dummy block
    • B21C33/02—Feeding extrusion presses with metal to be extruded ; Loading the dummy block the metal being in liquid form
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/115—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by spraying molten metal, i.e. spray sintering, spray casting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/043—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with silicon as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C26/00—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/123—Spraying molten metal

Definitions

  • the invention relates to a method for producing thin-walled tubes, which consist of a heat-resistant and wear-resistant aluminum material, in particular for use as cylinder liners for internal combustion engines.
  • Bushings are components subject to wear and tear, which are inserted, pressed or cast into the cylinder openings of the crankcase of the internal combustion engine.
  • the cylinder running surfaces of an internal combustion engine are exposed to strong frictional stresses caused by the piston or by the piston rings and locally occurring high temperatures. It is therefore necessary that these surfaces consist of wear-resistant and heat-resistant materials.
  • the problem was initially solved by a cast cylinder block made of a hypereutectic AlSi alloy.
  • the silicon content is limited to a maximum of 20% by weight.
  • Another disadvantage of the casting process is that silicon solid particles with relatively large dimensions (approx. 30-80 / . T m) are excreted during the solidification of the melt. Due to their size and their angular and sharp-edged shape, they lead to wear on the pistons and piston rings. It is therefore necessary to protect the pistons and the piston rings with appropriate top coats / coatings.
  • the contact area of the Si particles to the piston / piston ring is leveled by mechanical processing.
  • Such a mechanical processing is then followed by an electrochemical treatment, as a result of which the aluminum matrix between the Si grains is slightly set back, so that the Si grains protrude slightly from the cylinder surface as a supporting structure.
  • the disadvantage of such cylinder liners is one in a considerable manufacturing effort (expensive alloy, complex mechanical processing, iron-coated pistons, armored piston rings) and on the other hand in the poor distribution of the Si primary particles.
  • a relatively thick oil film is required as a separating medium between the raceway and the friction partners.
  • the depth of exposure of the Si particles is decisive for setting the oil film thickness.
  • a relatively thick oil film leads to higher friction losses in the machine and to a greater increase in pollutant emissions.
  • a cylinder block according to DE 42 30 228, which is cast from a hypereutectic AlSi alloy and is provided with liners made of hypereutectic AlSi alloy material, is less expensive. The aforementioned problems are not solved here either.
  • the structure of the Si grains has to be changed. It is known that aluminum alloys that cannot be produced using casting technology can be made to measure using powder metallurgy processes or spray compaction.
  • hypereutectic AlSi alloys can be produced which, due to the high Si content, the fineness of the Si particles and the homogeneous distribution, have very good wear resistance and are given the required heat resistance through additional elements such as Fe, Ni or Mn.
  • the Si primary particles present in these alloys have a size of approximately 0.5 to 20 ⁇ m. The alloys produced in this way are therefore suitable for a liner material.
  • EP 0 635 318 discloses a method for producing liners from a hypereutectic AlSi alloy.
  • the liner is manufactured by extrusion at pressures from 1000 to 10000t and an extrusion speed of 0.5 to 12rn / min.
  • very high press speeds are necessary. It has been shown that with such difficult to press alloys and the small wall thicknesses to be achieved Bushings that lead to high press speeds for tearing the profiles during extrusion.
  • the object of the invention is therefore to provide an improved, cost-effective method for the production of liners, the liners produced being intended to have the required improvements in properties with regard to wear resistance, heat resistance and reduction of pollutant emissions.
  • the object is achieved by a method with the method steps specified in claim 1.
  • the required tribological properties are achieved in particular by using processes which permit a much higher solidification rate of a high-alloy melt.
  • this includes the spray compacting process (hereinafter "spray compacting").
  • spray compacting an aluminum alloy melt high-alloyed with silicon is atomized and cooled in a nitrogen jet at a cooling rate of 1000 ° C./s.
  • the partially still liquid powder particles are sprayed onto a rotating plate.
  • the plate is continuously moved downwards during the process.
  • the overlapping of both movements creates a cylindrical bolt that has dimensions of approx. 1000 to 3000 mm in length with a diameter of up to 400 mm.
  • Si primary precipitates up to 20 ⁇ m in size are created in this spray compacting process.
  • the Si content of the alloys can be up to 40% by weight. Due to the rapid quenching of the aluminum melt in the gas jet, the supersaturation state in the bolt obtained is virtually "frozen".
  • spray compacting can also be used to produce thick-walled tube blanks with internal diameters from 50 to 120 mm and a wall thickness of up to 250 mm.
  • the particle beam is directed after the atomization onto a carrier tube that rotates horizontally about its longitudinal axis and is compacted there.
  • a pipe blank is produced in this way, which serves as a raw material for further processing by means of pipe extrusion and / or other hot forming processes.
  • the above carrier tube consists of a conventional wrought aluminum alloy or from the same alloy as is produced by spray compacting (of the same type).
  • the structure of the spray-compacted bolt or the spray-compacted tube blank can be changed by subsequent aging annealing.
  • the structure can be adjusted to an Si grain size of 2 to 30 ⁇ m by annealing, as is desirable for the required tribological properties.
  • the growth of larger Si particles during the annealing process is caused by diffusion in the solid at the expense of smaller Si particles. This diffusion depends on the aging temperature and the duration of the annealing treatment. The higher the temperature, the faster the Si grains grow. However, time plays a subordinate role in this process. Suitable temperatures are around 500 ° C, with an annealing time of 3-5 hours being sufficient.
  • annealing process is not required if a state with a fine Si precipitate size is desired.
  • the size of the Si precipitate is adjusted by means of the “gas to metal ratio” during the process.
  • Bolts or tube blanks produced using the spray compacting process generally have a density of more than 95% of the theoretical density of the alloy. Hot extrusion at temperatures from 350 ° C to 550 ° C is required to fully compress and close the residual porosity.
  • the spray compacting process also offers the possibility of introducing particles that were not present in the melt into the bolt or into the tube blank via a particle injector. Since these particles can have any geometry and any size between 2ju, m and 400 ⁇ m, there are a variety of setting options for a structure. These particles can e.g. Si particles in the range from 2 ⁇ m to 400 ⁇ m or oxide-ceramic particles (e.g. AI2O3) or non-oxide-ceramic particles (e.g. SiC, B4C, etc.) in the aforementioned particle size range, as are commercially available and useful for the tribological aspect.
  • oxide-ceramic particles e.g. AI2O3
  • non-oxide-ceramic particles e.g. SiC, B4C, etc.
  • a powder is generated by air ⁇ or inert gas atomization of the melt.
  • this powder can be completely alloyed, which means that all alloying elements were contained in the melt, or the powder is mixed from several alloy or element powders in a subsequent step.
  • the completely alloyed or the mixed powder is then pressed by cold isostatic pressing or hot pressing or vacuum hot pressing to form a bolt or a tube blank.
  • the bolt or tube blank can then be fully compressed by hot extrusion.
  • tribologically sensible structures can be adjusted on the one hand by means of an annealing treatment and on the other hand by adding particles (ceramic ceramics, non-oxide ceramics, etc.).
  • a thick-walled tube with a wall thickness of 6 to 20 mm or a round rod with a diameter between 50mm and 120mm is formed from the bolt blank, which was produced via "spray compacting" or via the "powder route".
  • the extrusion temperatures are between 300 ° C and 550 ° C.
  • the extrusion of a round bar offers advantages in terms of the achievable pressing speeds, which makes the production of round bars more cost-effective.
  • thick-walled tubes with reduced wall thicknesses can be obtained from the tube blanks which were produced by "spray compacting" or via the "powder route".
  • the required forming is achieved by extrusion.
  • Either pipe sections or rod sections with a somewhat larger volume than the thin-walled pipe to be produced are used for this.
  • pipe sections both hollow-forward extrusion presses and hollow-backward extrusion presses with or without back pressure can be used.
  • bar sections both bowl-forward extrusion and bowl-backward extrusion with or without back pressure can be used.
  • the back pressure can be applied with a stamp in all processes.
  • Back pressure enables a state of tension to be created in the material to be formed, which prevents cracks from occurring in the formed material. This is particularly necessary for materials that have only a limited formability at room temperature.
  • the temperature range in which the forming can take place without changing the customized structure ranges from room temperature to temperatures of 480 ° C. Forming in temperature ranges (depending on the alloy system between 520 ° C and 600 ° C), in which a liquid phase occurs, is also possible. In this case, a coarsening of the Si precipitates to sizes from 10 ⁇ m to 30 / xm, as is also tribologically useful, is achieved if the starting material is not annealed.
  • the tube formed to the end wall thickness or close to the end wall thickness is then machined at the tube ends.
  • the thin-walled bottom is removed by machining or punching.
  • the method according to the invention has the advantage that the material for the liner can be tailored.
  • the high cost of extrusion in terms of pressure, speed and product quality is explained by the following second
  • An alloy of the composition AI Si25 Cu2.5 Mgl Nil is compacted into a bolt at a melt temperature of 830 ° C. with a gas / metal ratio of 4.5 m 3 / kg (standard cubic meters of gas per kilogram of melt) after the spray compacting process.
  • the Si precipitates are in the size range from l ⁇ m to lO ⁇ m under the conditions mentioned.
  • the spray-compacted bolt is subjected to an annealing treatment of 4 hours at 520 ° C. After this annealing treatment, the Si deposits are in the size range from 2 / xm to 30 ⁇ m.
  • Hot extrusion at 420 ° C and a profile exit speed of 0.5 m / min in a chamber tool creates a tube with an outside diameter of 94mm and an inside diameter of 68mm. Since the extrusion temperature is below the annealing temperature, the set structure is retained.
  • the extruded, thick-walled tubes become short sections of 30mm length cut and at 420 ° C by hollow-forward extrusion into thin-walled pipe sections with an outer diameter of 74 mm with an inner diameter of 67 mm and a length of 130 mm.
  • the pipes can be shaped completely without a collar, since each section is pushed through with the following section.
  • the blank (1) is inserted into the die (2).
  • the press ram (3) in cooperation with the die (2) partially forms the first blank (1) into a tube (sketch IB).
  • the press ram (3) then moves back to the starting position and the next blank is placed in the die (2) (sketch IC).
  • the plunger (3) is then pressed down, the first tube section is completely formed and ejected using the second blank (sketch 1 D).
  • This procedure simultaneously creates a back pressure in the shaping press channel, which facilitates error-free forming.
  • An alloy such as that produced by spray compacting in Example 1, is extruded into a round bar with an outer diameter of 74 mm.
  • the simpler geometry enables a pressing speed of 1.5 m / min to be achieved, which means a not inconsiderable cost saving.
  • the bar is cut into sections 27 mm long. These sections are then formed by cup backward extrusion at temperatures of 420 ° C. into a cup with an outside diameter of 74 mm, an inside diameter of 67 mm and a height of 130 mm. The thin bottom with a thickness of 4mm is then cut out when processing the pipe ends.
  • An alloy as produced in Examples 1 and 2 by spray compacting is extruded into a round rod with an outer diameter of 74 mm without prior annealing.
  • the primary Si deposits are in the size range from l ⁇ m to 7 / xm.
  • the bar is divided into sections 27 mm long. These sections are inductive within Heated to a temperature of 560 ° C for 4 - 5 min. The alloy between solidus and liquidus is at this temperature.
  • the partially fluid rod section is mechanically stable and can still be handled.
  • the partially liquid rod section (1) is formed in a closed tool, which consists of a press ram (3), die (2) and ejector (4), by backward extrusion molding.
  • section (1 ) inserted into the tool (sketch 2E), formed by means of the press ram (3) (sketch 2F) and ejected by the movement of the ejector (4) (sketch 2G).
  • the result is a bowl with an outside diameter of 74mm, an inside diameter of 67mm and a height of 130mm.
  • the bottom of the molded bowl with a thickness of 4mm can then be punched out during processing of the pipe ends or removed by punching.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dünnwandigen Rohren, welche aus einem warmfesten und verschleißfesten Aluminiumwerkstoff bestehen. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen eines Bolzens oder einer Rohrluppe aus einem übereutektischen A1Si-Material, eventuell eine anschließende Überalterungsglühung, das nachfolgende Strangpressen zu einem dickwandigen Rohr oder einer Rundstange und nach Zerteilung dieses runden Vorformlings das Fließpressen zu einem dünnwandigen Rohr. Ein derartiges Verfahren ist insbesondere zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen von Verbrennungsmotoren aus Leichtmetall geeignet, da die gefertigten Laufbuchsen die geforderten Eigenschaften bezüglich Verschleißfestigkeit, Warmfestigkeit und Reduzierung der Schadstoffemissionen aufweisen.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON DÜNNEN ROHREN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dünnwandigen Rohren, welche aus einem warmfesten und verschleißfesten Aluminiumwerkstoff bestehen, insbesondere zum Einsatz als Zylinderlaufbuchsen für Verbrennungsmotoren.
Laufbuchsen sind dem Verschleiß ausgesetzte Bauteile, die in die Zylinderöffnungen der Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors eingesetzt, eingepreßt oder eingegossen werden.
Die Zylinderlaufflächen eines Verbrenungsmotors sind starken Reibbeanspruchungen durch den Kolben bzw. durch die Kolbenringe und örtlich auftretenden hohen Temperaturen ausgesetzt Es ist daher erforderlich, daß diese Flächen aus verschleißfesten und waπnfesten Materialien bestehen.
Um dieses Ziel zu erreichen, gibt es u.a. zahlreiche Verfahren, die Oberfläche der Zylinderbohrung mit verschleißfesten Beschichtungen zu versehen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Laufbuchse aus einem verschleißfesten Material im Zylinder anzuordnen. So wurden u.a. Graugußlauf buchsen verwendet, die aber eine im Vergleich zu Aluminium- Werkstoffen geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen und andere Nachteile aufweisen.
Das Problem wurde vorerst durch einen gegossenen Zylinderblock aus einer übereutektischen AlSi-Legierung gelöst. Aus gießtechnischen Gründen ist der Silizium-Gehalt auf maximal 20 Gew.-% begrenzt. Als weiterer Nachteil des Gießverfahrens ist festzuhalten, daß während der Erstarrung der Schmelze Silizium- Primärteilchen mit verhältnismäßig großen Abmessungen (ca. 30 - 80/.tm) ausgeschieden werden. Aufgrund der Größe und ihrer winkligen und scharfkantigen Form führen sie zu Verschleiß an Kolben und Kolbenringen. Man ist daher gezwungen, die Kolben und die Kolbenringe durch entsprechende Oberzüge / Beschichtungen zu schützen. Die Kontaktfläche der Si-Teilchen zum Kolben / Kolbenring wird durch mechanische Bearbeitung eingeebnet. Einer solchen mechanischen Bearbeitung schließt sich dann eine elektrochemische Behandlung an, wodurch die Aluminiummatrix zwischen den Si-Körnern leicht zurückgesetzt wird, so daß die Si-Körner als Traggerüst aus der ZylinderiaufQäche geringfügig herausragen. Der Nachteil derartig gefertigter Zylinderlaufbahnen besteht zum einen in einem beachtlichen Herstellungsaufwand (teure Legierung, aufwendige mechanische Bearbeitung, eisenbeschichtete Kolben, armierte Kolbenringe) und zum anderen in der mangelhaften Verteilung der Si-Primärteilchen. So gibt es große Bereiche im Gefüge, die frei von Si-Teilchen sind und somit verstärktem Verschleiß unterliegen. Um diesen Verschleiß zu vermeiden, ist ein relativ dicker Ölfilm als Trennmedium zwischen Laufbahn und Reibpartnern erforderlich. Für die Einstellung der Ölfilmdicke ist u.a. die Freilegungstiefe der Si-Teilchen entscheidend. Ein verhältnismäßig dicker Ölfilm führt zu höheren Reibungsverlusten in der Maschine und zu einer stärkeren Erhöhung der Schadstoffemission.
Demgegenüber ist ein Zylinderblock gemäß DE 42 30 228, der aus einer untereutektischen AlSi-Legierung gegossen und mit Laufbuchsen aus übereutektischen AlSi-Legierungsmaterial versehen wird, kostengünstiger. Die zuvor genannten Probleme werden aber auch hier nicht gelöst.
Um die Vorteile der übereutektischen AlSi-Legierungen als Laufbuchsenmaterial nutzen zu können, ist das Gefüge hinsichtlich der Si-Körner zu verändern. Aluminiumlegierungen, die gießtechnisch nicht realisierbar sind, können bekanntlich durch pulvermetallurgische Verfahren oder Sprühkompaktieren maßgeschneidert hergestellt werden.
So sind auf diese Weise übereutektische AlSi-Legierungen herstellbar, die aufgrund des hohen Si-Gehaltes, der Feinheit der Si-Teilchen und der homogenen Verteilung eine sehr gute Verschleißfestigkeit besitzen und durch Zusatzelemente wie beispielsweise Fe, Ni oder Mn die erforderliche Warmfestigkeit erhalten. Die in diesen Legierungen vorliegenden Si-Primärteilchen haben eine Größe von ca. 0,5 bis 20 μm. Damit sind die auf diese Weise hergestellten Legierungen geeignet für einen Laufbuchsenwerkstoff.
Obwohl Aluminium-Legierungen im allgemeinen leicht zu verarbeiten sind, ist das Umformen dieser übereutektischer Legierungen problematischer. Aus der EP 0 635 318 ist ein Verfahren zum Herstellen von Laufbuchsen aus einer übereutektischen AlSi-Legierung bekannt. Hier wird die Laufbuchse durch Strangpressen bei Drücken von 1000 bis 10000t und einer Strangpreßgeschwindigkeit von 0,5 bis 12rn/min gefertigt. Um kostengünstig durch Strangpressen Laufbuchsen auf Endmaß zu produzieren, sind sehr hohe Preßgeschwindigkeiten notwendig. Es hat sich gezeigt, daß bei derartig schwer preßbaren Legierungen und den zu erzielenden geringen Wandstärken der Laufbuchsen die hohen Preßgeschwindigkeiten zum Aufreißen der Profile beim Strangpressen führen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein verbessertes, kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Laufbuchsen zur Verfügung zu stellen, wobei die gefertigten Laufbuchsen die geforderten Eigenschaftsverbesserungen bezüglich Verschleißfestigkeit, Warmfestigkeit und Reduzierung der Schadstoffemissionen aufweisen sollen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrensschritten gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erforderlichen tribologischen Eigenschaften werden insbesondere dadurch erreicht, daß Verfahren angewendet werden, die eine weit höhere Erstarrungsgeschwindigkeit einer hochlegierten Schmelze erlauben.
Dazu gehört einerseits das Sprühkompaktierverfahren (im nachfolgenden "Sprühkompaktieren"). Zur Erzielung der gewünschten Eigenschaften wird eine mit Silizium hochlegierte Aluminium-Legierungsschmelze verdüst und im Stickstoffstrahl mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 1000°C/s abgekühlt. Die teilweise noch flüssigen Pulverteilchen werden auf einen rotierenden Teller gesprüht. Der Teller wird während des Vorganges kontinuierlich abwärts bewegt. Durch die Überlagerung beider Bewegungen entsteht ein zylindrischer Bolzen, der Abmessungen von ca. 1000 bis 3000 mm Länge bei einem Durchmesser von bis zu 400 mm hat. Aufgrund der hohen Abkühlgeschwindigkeiten entstehen in diesem Sprühkompaktierprozeß Si-Primärausscheidungen bis zu 20 μm Größe. Dabei kann der Si-Gehalt der Legierungen bis zu 40Gew.% betragen. Aufgrund der schnellen Abschreckung der Aluminium-Schmelze im Gasstrahl wird der Übersättigungszustand im erhaltenen Bolzen quasi "eingefroren".
Alternativ zur Bolzenherstellung können durch das Sprühkompaktieren auch dickwandige Rohrluppen mit Innendurchmessern von 50 - 120 mm und einer Wandstärke bis zu 250 mm hergestellt werden. Dazu wird der Partikelstrahl nach der Verdüsung auf ein horizontal um seine Längsachse rotierendes Trägerrohr gerichtet und dort kompaktiert. Durch einen kontinuierlichen und geregelten Vorschub in horizontaler Richtung wird auf diese Weise eine Rohrluppe hergestellt, die als Vormaterial für die Weiterverarbeitung durch Rohrstrangpressen und/oder andere Warmumformverfahren dient. Das o.g. Trägerrohr besteht aus einer konventionellen Aluminium-Knetlegierung oder aus der gleichen Legierung, wie sie durch das Sprühkompaktieren hergestellt wird (artgleich).
Der Gefügezustand des sprühkompaktierten Bolzens oder der sprühkompaktierten Rohrluppe kann durch anschließende Überalterungsglühungen geändert werden. Durch eine Glühung kann das Gefüge auf eine Si-Korngröße von 2 bis 30 μm eingestellt werden, wie sie für die geforderten tribologischen Eigenschaften wünschenswert ist. Das Heranwachsen größerer Si-Partikel während des Glühprozesses wird durch Diffusion im Festkörper auf Kosten kleinerer Si-Partikel bewirkt. Diese Diffusion ist abhängig von der Überalterungstemperatur und der Dauer der Glühbehandlung. Je höher die Temperatur gewählt wird, desto schneller wachsen die Si-Körner. In diesem Prozeß spielt jedoch die Zeit eine untergeordnete Rolle. Geeignete Temperaturen liegen bei etwa 500°C, wobei eine Glühdauer von 3 - 5 Stunden ausreichend ist.
Ist ein Zustand mit feiner Si-Ausscheidungsgröße erwünscht, ist ein Glühprozeß nicht erforderlich. Eine Anpassung der Si-Ausscheidungsgröße erreicht man in diesem Fall durch das "Gas zu Metali - Verhältnis" während des Prozesses. Über das Sprühkompaktierverfahren hergestellte Bolzen oder Rohrluppen weisen in der Regel eine Dichte von mehr als 95% der theoretischen Dichte der Legierung auf. Zur vollständigen Verdichtung und Schließung der Restporosität ist das Warmstrangpressen bei Temperaturen von 350°C bis 550°C erforderlich.
Der Sprühkompaktierprozeß bietet weiterhin die Möglichkeit, über einen Partikelinjektor in den Bolzen oder in die Rohrluppe Teilchen einzubringen, die nicht in der Schmelze vorhanden waren. Da diese Teilchen eine beliebige Geometrie und eine beliebige Größe zwischen 2ju,m und 400μm aufweisen können, bestehen eine Vielzahl von Einstellungsmöglichkeiten für ein Gefüge. Diese Teilchen können z.B. Si-Partikel im Bereich von 2μm bis 400μm oder oxidkeramische Teüchen (z.B. AI2O3) oder nicht oxidkeramische Teilchen (z.B.SiC, B4C, etc.) im vorgenannten Teilchengrößenspektrum sein, wie sie kommerziell erhältlich und für den tribologischen Aspekt sinnvoll sind.
Eine weitere Möglichkeit, eine geeignete Gefügeausbildung zu erzeugen, besteht in der schnellen Erstarrung einer mit Silizium übersättigten Aluminium- Legierungsschmelze (im nachfolgenden "Pulverroute"). Dabei wird durch eine Luft¬ oder Inertgasverdüsung der Schmelze ein Pulver erzeugt. Dieses Pulver kann einerseits vollständig legiert sein, was bedeutet, daß sämtliche Legierungselemente in der Schmelze enthalten waren, oder das Pulver wird aus mehreren Legierungs¬ oder Elementpulvern in einem folgenden Schritt gemischt. Das vollständig legierte, oder das gemischte Pulver wird anschließend durch kaltisostatisches Pressen oder Heißpressen oder Vakuumheißpressen zu einem Bolzen oder einer Rohrluppe verpreßt. Der Bolzen oder die Rohrluppe können dann durch Warmstrangpressen vollständig verdichtet werden. Auch bei dieser Herstellungsweise lassen sich tribologisch sinnvolle Gefüge einerseits durch eine Glühbehandlung und andererseits durch Zumischung von Teilchen (Qridkeramikeramiken, NichtOxidkeramiken, etc.) einstellen.
Das so eingestellte und damit maßgeschneiderte Gefüge verändert sich bei den nachfolgenden Verfahrensschritten nicht mehr oder es verändert sich für die geforderten tribologischen Eigenschaften günstig.
Durch Strangpressen wird aus dem Bolzenrohling, der über "Sprühkompaktieren" oder über die "Pulverroute" hergestellt wurde, ein dickwandiges Rohr mit einer Wandstärke von 6 bis 20 mm oder eine Rundstange mit einem Durchmesser zwischen 50mm und 120mm geformt. Dabei liegen die Strangpreßtemperaturen zwischen 300°C und 550°C. Das Strangpressen einer Rundstange bietet Vorteile hinsichtlich der erreichbaren Preßgeschwindigkeiten, was die Herstellung von Rundstangen kostengünstiger macht.
Ebenso können aus den Rohrluppen, welche durch "Sprühkompaktieren" oder über die "Pulverroute" hergestellt wurden, dickwandige Rohre mit reduzierten Wandstärken erhalten werden.
Die erforderliche Umformung wird durch Fließpressen erreicht. Dazu werden entweder Rohrabschnitte oder Stangenabschnitte mit einem etwas größeren Volumen als das zu erzeugende dünnwandige Rohr verwendet. Bei der Verwendung von Rohrabschnitten kann sowohl Hohl - Vorwärts -Fließpressen als auch Hohl - Rückwärts - Fließpressen mit oder ohne Gegendruck zur Anwendung kommen. Bei der Verwendung von Stangenabschnitten kann sowohl Napf - Vorwärts - Fließpressen als auch Napf - Rückwärts - Fließpressen mit oder ohne Gegendruck zur Anwendung kommen.
Der Gegendruck kann bei allen Verfahren über einen Stempel aufgebracht werden. Ein Gegendruck ermöglicht die Herstellung eines Spannungszustandes im umzuformenden Material, der verhindert, daß Risse im umgeformten Material entstehen. Dies ist insbesondere erforderlich bei Werkstoffen, die bei Raumtemperatur nur ein begrenztes Umformvermögen besitzen. Der Temperaturbereich, in dem die Umformung stattfinden kann, ohne daß es zu Änderungen des maßgeschneiderten Gefüges kommt, bewegt sich von Raumtemperatur bis zu Temperaturen von 480°C. Eine Umformung in Temperaturbereichen (abhängig vom Legierungssystem zwischen 520°C und 600°C), in denen es zum Auftreten einer flüssigen Phase kommt, ist ebenfalls möglich. In diesem Falle wird eine Vergröberung der Si-Ausscheidungen auf Größen von lOμm bis 30/xm, wie sie auch noch tribologisch sinnvoll sind, erreicht, wenn von nicht geglühtem Vormaterial ausgegangen wird.
Das auf die Endwanddicke oder nahe an die Endwanddicke geformte Rohr wird anschließend spanend an den Rohrenden fertigbearbeitet. Im Falle des Napf - Vorwärts und des Napf - Rückwärts - Fließpressens wird der dünnwandige Boden durch Zerspanung oder Stanzen entfernt.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß das Material für die Laufbuchse maßgeschneidert werden kann. Dem hohen Aufwand beim Strangpressen sowohl hinsichtlich Preßdruck, Preßgeschwindigkeit als auch Produktqualität wird durch den nachfolgenden zweiten
Warmumf ormverfahrensschritt ausgewichen.
Beispiel 1:
Eine Legierung der Zusammensetzung AI Si25 Cu2,5 Mgl Nil wird bei einer Schmelzentemperatur von 830°C mit einem Gas/ Metall -Verhältnis von 4,5m3/kg (Normkubikmeter Gas pro Kilogramm Schmelze) nach dem Sprühkompaktierprozeß zu einem Bolzen kompaktiert. Im sprühkompaktierten Bolzen liegen unter den genannten Bedingungen die Si - Ausscheidungen im Größenbereich von lμm bis lOμm. Der sprühkompaktierte Bolzen wird einer Glühbehandlung von 4h bei 520°C unterzogen. Nach dieser Glühbehandlung Hegen die Si-Auscheidungen im Größenbereich von 2/xm bis 30μm. Durch Warmstrangpressen bei 420°C und einer Profilaustrittsgeschwindigkeit von 0,5 m/min in einem Kammerwerkzeug entsteht ein Rohr mit einem Außendurchmesser von 94mm und einem Innendurchmesser von 68mm . Da die Strangpreßtemperatur unterhalb der Glühtemperatur liegt, bleibt das eingestellte Gefüge erhalten.
Die stranggepreßten, dickwandigen Rohre werden zu kurzen Abschnitten von 30mm Länge abgelängt und bei 420°C durch Hohl - Vorwärts - Fließpressen zu dünnwandigen Rohrabschnitten mit einem Außendurchmesser von 74 mm bei einem Innendurchmesser von 67 mm und einer Länge von 130 mm umgeformt. Dabei können die Rohre vollständig ohne Bund ausgeformt werden, da jeder Abschnitt mit dem nachfolgenden Abschnitt durchgedrückt wird.
Wie der Skizze IA zu entnehmen, wird der Rohling (1) in die Matrize (2) eingelegt. Der Preßstempel (3) im Zusammenwirken mit der Matrize (2) formt den ersten Rohling (1) teüweise zu einem Rohr um (Skizze IB). Der Preßstempel (3) fährt dann wieder in die Ausgangsstellung und der nächste Rohling wird in die Matrize (2) eingelegt (Skizze IC). Beim anschließenden Niederdrücken des Preßstempels (3) wird mit Hilfe des zweiten Rohlings der erste Rohrabschnitt vollständig ausgeformt und ausgeworfen (Skizze 1 D).
Durch diese Vorgehensweise wird gleichzeitig im formgebenden Preßkanal ein Gegendruck erzeugt, der die fehlerfreie Umformung erleichtert.
Beispiel 2:
Eine Legierung, wie sie in Beispiel 1 über Sprühkompaktieren hergestellt wurde, wird zu einer Rundstange mit einem Außendurchmesser von 74 mm stranggepreßt Durch die einfachere Geometrie läßt sich eine Preßgeschwindigkeit von l,5m/min erreichen, was eine nicht unerhebliche Kosteneinsparung bedeutet. Die Stange wird zu Abschnitten von einer Länge von 27mm zerteilt. Diese Abschnitte werden dann durch Napf - Rückwärts - Fließpressen bei Temperaturen von 420°C zu einem Napf mit einem Außendurchmesser von 74mm, einem Innendurchmesser von 67mm und einer Höhe von 130mm ausgeformt. Der dünne Boden mit einer Dicke von 4mm wird anschließend bei der Bearbeitung der Rohrenden ausgestochen.
Beispiel 3;
Eine Legierung, wie sie in Beispiel 1 und 2 über Sprühkompaktieren hergestellt wurde, wird ohne vorherige Glühung zu einer Rundstange mit einem Außendurchmesser von 74 mm stranggepreßt. Die Si-Primärausscheidungen liegen in einem Größenbereich von lμm bis 7/xm. Die Stange wird in Abschnitte von einer Länge von 27mm aufgeteilt. Diese Abschnitte werden induktiv innerhalb von 4 - 5 min auf eine Temperatur von 560°C aufgeheizt. Bei dieser Temperatur befindet sich die Legierung zwischen Solidus und Liquidus. Der teilflüssige Stangenabschnitt ist mechanisch stabil und läßt sich noch handhaben.
Wie der Skizze 2 zu entnehmen, wird der teilflüssige Stangenabschnitt (1) in einem geschlossenen Werkzeug, welches aus Preßstempel (3), Matrize (2) und Auswerfer (4) besteht, durch Napf-Rückwärts-Fließpressen umgeformt Dazu wird der Abschnitt (1) in das Werkzeug eingelegt (Skizze 2E), mittels des Preßstempels (3) umgeformt (Skizze 2F) und durch die Bewegung des Auswerfers (4) ausgestoßen (Skizze 2G). Es entsteht ein Napf mit einem Außendurchmesser von 74mm, einem Innendurchmesser von 67mm und einer Höhe von 130mm. Der Boden des ausgeformten Napfes mit einer Dicke von 4mm kann anschließend bei der Bearbeitung der Rohrenden ausgestochen oder über Stanzen entfernt werden.
Durch den teilflüssigen Zustand sind nur sehr geringe Uniformkräfte erforderlich. Bedingt durch diesen teilflüssigen Zustand wachsen die Si-Ausscheidungen auf 20/αm bis 25μm an.

Claims

P ATENTAN S P R Ü CHE
1. Verfahren zur Herstellung von dünnen Rohren aus einem warmfesten und verschleißfesten Leichtmetallwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß
- durch Sprühkompaktieren einer Legierungsschmelze oder durch Warm¬ bzw. Kaltverdichten einer Pulvermischung bzw. eines legierten Pulvers, welches über Luft- oder Inertgasverdüsung in einer Partikelgröße von kleiner 250 μm erhalten wurde, hergestellte Bolzen oder Rohrluppen aus einem übereutektischen AlSi-Material bereitgestellt werden, wobei die enthaltenen Si-Primärteilchen eine Größe von 0,5 bis 20 μm, vorzugsweise eine Größe von 1 bis 10 μm besitzen,
- diese Bolzen oder Rohrluppen im Bedarfsfall zur Vergröberung der enthaltenen Si-Primärteilchen einer Uberalterungsglühung unterzogen werden, wobei die Si-Primärteilchen zu einer Größe von 2 bis 30 μm anwachsen,
- die auf Strangpreßtemperatur von 300 bis 550 °C gehaltenen Bolzen oder Rohrluppen zu runden Vorformlingen mit einem Außendurchmesser kleiner 120mm stranggepreßt werden,
- die runden Vorformlinge in Abschnitte gewünschter Länge zerteilt werden und
- diese Abschnitte der Vorformlinge durch Fließpressen bei Temperaturen von 25 bis 600°C zu rohrformigen Halbzeug mit einer Wanddicke von 1,5 bis 5mm umgeformt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Bolzen oder Rohrluppen eine Pulvermischung, ein legiertes Pulver oder eine Legierungsschmelze der folgenden Zusammensetzung eingesetzt wird:
AI Si(17-35) Cu(2,5-3,5) Mg(0,2-2,0) Ni(0,5-2).
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Bolzen oder Rohrluppen eine Pulvermischung, ein legiertes Pulver oder eine Legierungsschmelze der folgenden Zusammensetzung eingesetzt wird:
Al Si(17-35) Fe(3-5) Ni(l-2).
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Bolzen oder Rohrluppen eine Pidvermischung, ein legiertes Pulver oder eine Legierungsschmelze der folgenden Zusammensetzung eingesetzt wird:
Al Si(25-35).
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Bolzen oder Rohrluppen eine Pulveπnischung, ein legiertes Pulver oder eine Legierungsschmelze der folgenden Zusammensetzung eingesetzt wird:
AI Si(17-35) Cu(2,5-3,3) Mg(0,2-2,0) Mn(0,5-5).
6. Verfahren nach den Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Sprühkompaktieren ein Teil des Siliziums über die Schmelze der eingesetzten AlSi-Legierung und ein Teü des Siliziums in Form von Si-Pulver mittels eines Partikelinjektors in den Bolzen oder in die Rohrluppe eingebracht wird.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Uberalterungsglühung zur Vergröberung der Si-Primärteüchen bei Temperaturen von 460 bis 540 °C über einen Zeitraum von 0,5 bis 10 Stunden vorgenommen wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der auf Strangpreßtemperatur gehaltene Bolzen zu einer Rundstange mit einem Durchmesser von 50 bis 120 mm stranggepreßt wird, welche anschließend in Stangenabschnitte zerteilt wird und die Stangenabschnitte durch Napf- Vorwärt-Fließpressen bzw. Napf-Rückwärts-Fließpressen mit oder ohne Gegendruck bei Temperaturen von 25 bis 600 °C zu Näpfen umgeformt werden, wobei die Näpfe eine Wanddicke von 1,5 bis 5 mm und einem dünnwandigen Boden besitzen, welcher zur Bildung der gewünschten Rohre entfernt wird.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Strangpreßtemperatur gehaltenen Bolzen oder Rohrluppen zu dickwandigen Rohren von 6 bis 20 mm Wandstärke stranggepreßt werden, welche anschließend in Rohrabschnitte zerteilt werden und die dickwandigen kurzen Rohrabschnitte durch Hohl-Vorwärt-FHeßpressen bzw. Hohl-Rückwärts- Fließpressen mit oder ohne Gegendruck bei Temperaturen von 25 bis 600 °C zu längeren Rohrabschnitten mit reduzierter Wanddicke von 1,5 bis 5 mm umgeformt werden.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformung durch Fließpressen bei Temperaturen von 25 bis 480°C vorgenommen wird.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformung durch Fließpressen bei Temperaturen oberhalb der Solidustemperatur und unterhalb der Uquidustemperatur des übereutektischen AlSi-Materials vorgenommen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Uberalterungsglühung verzichtet werden kann.
13. Verwendung eines nach den Ansprüchen 1 bis 12 hergestellten Rohrabschnittes als Laufbuchse für Verbrennungsmotoren aus Leichtmetall.
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