DE69326290T2 - Ölpumpe aus Aluminiumlegierungen - Google Patents
Ölpumpe aus AluminiumlegierungenInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Ölpumpe und insbesondere eine Ölpumpe, die wenigstens ein Laufrad aus einer pulvermetallurgischen Aluminiumlegierung in einem feststehenden Gehäuse aus einer Aluminiumlegierung umfaßt, die hinsichtlich Verschleißbeständigkeit und mechanischer Stabilität bei erhöhter Temperatur verbessert ist.
- Unlängst sind Automobilbauteile als eine Gegenmaßnahme gegen Treibstoffverbrauch von Automobilen leichter gemacht worden, und Ölpumpen für Automobile sind keine Ausnahme von der Regel. Die Ölpumpen bestehen normalerweise aus Eisen und umfassen ein durch Formverfahren oder Druckgießen hergestelltes feststehendes Gehäuse. Somit besitzen die Ölpumpen, beispielsweise jene für automatische Getriebesysteme, ein Gewicht von 5 kg und mehr. Wenn Aluminiumlegierungen als ein Material für die Bauteile von Ölpumpen verwendet werden, würde das Gesamtgewicht von Ölpumpen auf weniger als 2 kg verringert werden, und man würde das Gewicht um etwa 60% verringern. Zusätzlich erwartet man durch das Leichtermachen der Bauteile weitere Verbesserungen in der Leistungsfähigkeit der Ölpumpen.
- Alte Aluminiumlegierungen, die praktischen Anwendungen zugeführt worden sind, können jedoch wegen ihrer geringen Verschleißbeständigkeit nicht bei Laufrädern von Ölpumpen verwendet werden. Beispielsweise sind Ingotmetallurgische Aluminiumlegierungen wie etwa AC8B und A390 (im folgenden als I/M-Al-Legierungen bezeichnet), die normalerweise für Kolben, Lager oder ähnliche Teile verwendet werden, Materialien, die unter Berücksichtigung der Verschleißbeständigkeit entwickelt wurden. Wenn solche I/M-Al-Legierungen als Material für die Laufräder von Ölpumpen verwendet werden, kommt es, verursacht durch Neigungsverschleiß, wegen ihrer geringen Festigkeit gegen Gleitverschleiß und Druckermüdung zu beträchtlichen Abnutzungen und Schädigungen an Zahnflanken der Laufräder. Ferner kommt es wegen des Gleitkontakts zwischen Laufrad und Gehäuse in erheblichem Maße zu Freßabnutzungen an Kanten und Peripherien des Laufrades. Zusätzlich kommt es bei den hohen Drehgeschwindigkeiten der Laufräder wegen Stabilitätsmangel an der Wellenverbindung zum Ermüdungsbruch.
- Ferner ist es mit dem Kaltschmiedeprozess unmöglich, Präzisionsteile mit einer komplexen Bauform herzustellen, so daß das Kaltschmieden von Aluminiumlegierungen eine maschinelle Bearbeitung erfordert. So wie der Gehalt an Si in Aluminiumlegierungen zunimmt, wird die Bearbeitbarkeit der Aluminiumlegierung wegen der zunehmenden Teilchengröße der Primärkristalle von Si schlechter, was zu einer Verringerung der Festigkeit und Zähigkeit führt. Zusätzlich ist es erforderlich, daß Aluminiumlegierungen einen Gehalt von 3 bis 10 Gewichtsprozent Fe aufweisen, damit die Festigkeit bei erhöhter Temperatur verbessert wird, aber ein Fe-Gehalt von mehr als 5% verursacht die Bildung von großen nadelförmigen Kristallstrukturen, was zu einer Abnahme der Zähigkeit führt. Dementsprechend ist es unmöglich, Aluminiumlegierungen mit einer ausreichenden Festigkeit bei erhöhten Temperaturen herzustellen.
- Pulvermetallurgische Aluminiumlegierungen, d. h., Aluminiumlegierungen, die durch Pulvermetallurgie mit einem Pulver einer schnell erstarrten Aluminiumlegierung (im folgenden als P/M-Aluminiumlegierungen bezeichnet), wie etwa Aluminiumlegierungen mit hohem Si-Gehalt mit 20 bis 40 Gewichtsprozent Si, besitzen eine schlechte Festigkeit bei erhöhter Temperatur und machen es somit schwierig, sie bei Laufrädern von Ölpumpen für Automatikgetriebe anzuwenden, die bei erhöhten Temperaturen von etwa 150ºC betrieben werden.
- Um die Verschleißbeständigkeit der P/M- Aluminiumlegierungen zu verbessern, sind Anstrengungen unternommen worden, Si durch harte Partikel wie etwa SiC, TiC, Al&sub2;O&sub3; und so weiter zu ersetzen. Jedoch haben diese P/M-Aluminiumlegierungen ein ähnliches Problem wie die Aluminiumlegierungen mit hohem Si-Gehalt. Zum Beispiel beginnt in dem Fall, daß die P/M-Aluminiumlegierungen bei Laufrädern der Ölpumpen angewendet werden, die Matrix davon weich zu werden, wenn sie auf mehr als 100ºC durch Reibungswärme erhitzt wird. Aus diesem Grund neigt die Aluminiumlegierung dazu, wegen der Verringerung der Festigkeit beschädigt zu werden. Gleichzeitig werden harte Partikel durch Scherkraft, die während Gleitbewegung der Laufräder auf das Laufrad wirkt, freigesetzt, so daß die Verschleißbeständigkeit verringert wird.
- Ebenso besitzen P/M-Aluminiumlegierungen eines Al-Systems mit hohem Zn-Gehalt wegen ihrer beträchtlichen Aushärtung hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen, sie sind aber schlecht in der Verschleißbeständigkeit. Somit können sie nicht für Laufräder von Ölpumpen ausgelegt werden.
- In JP-A-60-147785 und JP-A-62-124284 ist vorgeschlagen worden, Schutzüberzüge durch anodische Oxidation, Nickelplattierung oder Chromplattierung auf Laufrädern aus gesinterten Aluminiumlegierungen bereitzustellen, damit ihre Verschleißbeständigkeit verbessert wird. Unter Gleitbewegungen mit Hochgeschwindigkeit der Laufräder gehen die Überzüge jedoch ab oder werden zusammen mit der Matrix beschädigt, weil die Aluminiumlegierungen bei erhöhter Temperatur weich werden, was zu einem Festfressen von Laufrad und Gehäuse führt. Zusätzlich machen es solche Aluminiumlegierungen erforderlich, daß die Überzugsdicke genau kontrolliert wird, damit die Pumpeffizienz verbessert wird, was zu einer Erhöhung der Herstellungskosten führt.
- JP-A-63-041690 offenbart einen Kompressor mit einem Laufrad und einem aus einer Si-Al-Legierung gebildetem Siliziumblock. Die für das Laufrad verwendete Legierung enthält 12% Si, und die im Zylinderblock verwendete Legierung enthält 16% Silizium.
- EP-A-0 533 950 beschreibt ein Ölpumpenlaufrad, das ein inneres Laufrad und ein äußeres Laufrad umfaßt, wobei das Laufrad aus einer speziellen Aluminiumlegierung mit 5-17 % Silizium besteht.
- Es ist erforderlich, daß die feststehenden Gehäuse einen Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe bei dem der Laufräder aufweisen, um eine hohe Pumpeneffizienz bereitzustellen. Falls der Wärmeausdehnungskoeffizient des Gehäuses sehr von dem des Laufrades abweicht, nimmt der Abstand zwischen ihnen mit der Temperatur zu, was zu einer Verringerung der Pumpeneffizienz führt. Ebenso ist es erforderlich, daß die feststehenden Gehäuse eine Verschleißbeständigkeit nahe der der Laufräder aufweisen, damit die Zunahme im Abstand zwischen ihnen aufgrund des Verschleißes des Gehäuses kontrolliert werden kann.
- Um diesen Erfordernissen zu begegnen haben die Erfinder versucht, ein Ölpumpengehäuse mit einem pulvermetallurgischen Material wie etwa schnell erstarrten Al-Si-Legierungen herzustellen. Wenn jedoch das Gehäuse einer schnell erstarrten Al-Si-Legierung in Kombination mit dem Laufrad aus der schnell erstarrten P/M-Aluminiumlegierung verwendet wird, besteht die Neigung, ein Festfressen und Adhäsionsverschleiß der Ölpumpe zu verursachen.
- Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ölpumpe aus Aluminiumlegierungen mit hoher Festigkeit und hoher Verschleißbeständigkeit bereitzustellen.
- Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ölpumpe mit einer verbesserten Pumpeneffizienz bereitzustellen, die wenigstens ein Laufrad aus einer schnell erstarrten pulvermetallurgischen Aluminium- Silizium-Legierung in einem feststehenden Gehäuse aus Al- Si-Legierung, das pulvermetallurgisch oder Ingotmetallurgisch hergestellt wird, umfaßt.
- Nach der vorliegenden Erfindung werden die obigen und andere Ziele dadurch erreicht, daß eine aus Aluminiumlegierungen gebildete Ölpumpe bereitgestellt wird, die
- (i) ein Gehäuse und
- (ii) wenigstens ein darin untergebrachtes Laufrad umfaßt;
- wobei das Gehäuse aus einer schnell erstarrten pulvermetallurgischen oder Ingot-metallurgischen Aluminiumlegierung gebildet wird, die, bezogen auf das Gewicht, aus 5 bis 25% Si; 1 bis 5% Cu; 0,2 b bis 1,5% Mg und 0,2 bis 1% Mn besteht, wobei der Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen bilden, und
- wobei der Rotor aus einer schnell erstarrten pulvermetallurgischen Aluminiumlegierung gebildet wird, die aus 5 bis 25% Si; 1 bis 15% von wenigstens einem Element aus 3 bis 10% Fe, 3 bis 10% Ni und 1 bis 8% Cr; und wahlweise 0,2 bis 1,5% Mg, 0,2 bis 1% Mn, bis zu 5% insgesamt von einem oder mehreren Elementen aus 1 bis 5% Cu, 1 bis 5% Mo, 1 bis 5% V und 1 bis 5% Zr besteht, wobei der Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen sind,
- worin die Summe des Si-Gehaltes der Aluminiumlegierung für das Gehäuse und der für das Laufrad gleich oder größer als 15% ist. Vorzugsweise enthält die Legierung des Gehäuses 5 bis 17% Si.
- Das Gehäuse kann mittels Pulvermetallurgie mit einer schnell erstarrten Aluminiumlegierung hergestellt werden, die bezogen auf das Gewicht im wesentlichen aus 5 bis 25 %, vorzugsweise 5 bis 17%, Si, 1 bis 5% Cu, 0,2 bis 1,5 % Mg, 0,2 bis 1% Mn und dem Rest aus Al und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, oder mittels Ingot-Metallurgie mit einer Aluminiumlegierung, die bezogen auf das Gewicht im wesentlichen aus 5 bis 25%, vorzugsweise 5 bis 17%, Si, 1 bis 5% Cu, 0,2 bis 1,5% Mg, 0,2 bis 1% Mn und dem Rest aus Al und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
- Die Pumpen, auf die die vorliegende Erfindung hauptsächlich angewendet wird, sind Innenzahnradpumpen, die ein inneres Laufrad und ein äußeres Laufrad mit einer Zahnflanke mit einer Trochoidkurve, Involutkurve, Hypocycloidkurve oder ähnliches umfassen. Jedoch wird die vorliegende Erfindung wirkungsvoll auf alle anderen, unter harten Bedingungen betriebenen Pumpen angewendet, beispielsweise solche wie allgemeine Zahnradpumpen, Pumpen, die Laufräder vom Triebkranztyp verwenden, und dergleichen.
- Wie vorher erwähnt, bestehen die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Laufräder im Grunde aus einer schnell erstarrten, pulvermetallurgischen Aluminiumlegierung mit, bezogen auf das Gewicht, 5 bis 25 % Si; 1 bis 15% von wenigstens einem Element aus 3 bis 10% Fe, 3 bis 10% Ni und 1 bis 8% Cr; und wahlweise 0,2 bis 1,5% Mg, 0,2 bis 1% Mn, 1 bis 5% Cu, 1 bis 5% Mo, 1 bis 5% V und 1 bis 5% Zr, wobei der Rest Al und unvermeidliche Verunreinigungen sind.
- In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Laufräder aus einer schnell erstarrten, pulvermetallurgischen Aluminiumlegierung, bezogen auf das Gewicht bestehend aus (a) 5 bis 25% eines aus Si zusammengesetzten primären Legierungsgrundstoffes; (b) 1 bis 15% eines oder mehrerer sekundärer Legierungsgrundstoffe, ausgewählt aus Fe, Ni und Cr, wobei der alleinige Gehalt an Fe 3 bis 10%, der alleinige Gehalt von Ni 3 bis 10%, der alleinige Gehalt von Cr 1 bis 8% ist; (c) 1 bis 5% von einem oder mehreren dritten Legierungsgrundstoffen ausgewählt aus Mo, V und Zr; und (e) dem Rest aus Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen.
- In einer anderen bevorzugten Ausführungsform bestehen die Laufräder aus einer schnell erstarrten, pulvermetallurgischen Aluminiumlegierung, bezogen auf das Gewicht bestehend aus (a) 5 bis 25% eines aus Si zusammengesetzten primären Legierungsgrundstoffes; (b) 1 bis 15% eines oder mehrerer sekundärer Legierungsgrundstoffe ausgewählt aus Fe, Ni und Cr, wobei der alleinige Gehalt an Fe 3 bis 10%, der alleinige Gehalt an Ni 3 bis 10%, der alleinige Gehalt an Cr 1 bis 8% beträgt; (d) 1,4 bis 7,5% eines aus Cu, Mg und Mn zusammengesetzten vierten Legierungsgrundstoffs, wobei der alleinige Gehalt an Cu 1 bis 5%, der alleinige Gehalt an Mg 0,2 bis 1,5%, der alleinige Gehalt an Mn 0,2 bis 1% beträgt; und (e) dem Rest aus Al und unvermeidlichen Verunreinigungen.
- In noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform bestehen die Laufräder aus einer schnell erstarrten, pulvermetallurgischen Aluminiumlegierung, bezogen auf das Gewicht im wesentlichen bestehend aus (a) 5 bis 25% eines primären, aus Si zusammengesetzten Legierungsgrundstoffs; (b) 1 bis 15% eines oder mehrerer sekundärer Legierungsgrundstoffe ausgewählt aus Fe, Ni und Cr, wobei der alleinige Gehalt an Fe 3 bis 10%, der alleinige Gehalt an Ni 3 bis 10%, der alleinige Gehalt an Cr 1 bis 8% beträgt; (c) 1 bis 5% eines oder mehrerer Legierungsgrundstoffe aus Mo, V und Zr; (d) 1,4 bis 7,5% eines vierten, aus Cu, Mg und Mn zusammengesetzten Legierungsgrundstoffes, wobei der alleinige Gehalt an Cu 1 bis 5%, der alleinige Gehalt von Mg 0,2 bis 1,5%, der alleinige Gehalt an Mn 0,2 bis 1% beträgt; und (e) dem Rest aus Al und unvermeidbaren Verunreinigungen.
- Die Laufräder, die für die Ölpumpen der vorliegenden Erfindungen eingesetzt werden, können mittels eines Prozesses hergestellt werden, der die folgenden Schritte umfaßt:
- (a) Vorformen eines Pulvers einer schnell erstarrten Aluminiumlegierung in einen Preßkörper mit einer relativen Dichte von 75 bis 90% unter kalten oder warmen Bedingungen;
- (b) Erhitzen und Entgasen des Preßkörpers in einer Atmosphäre eines inerten Gases 0,25 bis 3 Stunden lang bei einer Temperatur von 300ºC bis 560ºC; und
- (c) Heißprägen des Preßkörpers, so daß ein erstarrter Körper mit einer Porosität von 2 bis 5% hergestellt wird. Die auf diese Weise produzierten Laufräder können durch Warmgesenkschmieden und dann Festbrennen je nach Erfordernis fertigbearbeitet werden.
- Im obigen Prozeß wird die Wärmebehandlung der Preßkörper in einer Atmosphäre eines inerten Gases wie etwa Stickstoff, Argon und dergleichen ausgeführt, so daß sowohl an Partikeln des Legierungspulvers adsorbierte Feuchtigkeit und organische Verbindungen entfernt werden als auch verhindert wird, daß die Partikel von der Reaktion von Wasser und Aluminium herrührende Aluminiumoxidfilme bilden.
- Wenn die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von mehr als 560ºC während einer langen, 3 Stunden überschreitenden Zeit durchgeführt wird, verliert die Aluminiumlegierung jedoch seine ausgezeichneten, durch schnelle Erstarrung gegebenen Eigenschaften, was zur Verschlechterung der für die Laufräder von Ölpumpen erforderlichen mechanischen Eigenschaften führt. Es wird bevorzugt, das Laufrad mit einer Porosität von 5% oder darunter zu verfestigen, um es an der Bildung von zusammenhängenden Poren zu hindern, die eine Abnahme der mechanischen Festigkeit und Oxidation der Legierung bewirken.
- Die Gründe, weshalb die Zusammensetzung der Aluminiumlegierung für das Gehäuse auf den obigen Bereich beschränkt worden ist, werden unten zusammen mit der Wirkungsweise eines jeden Legierungselements erklärt.
- Ein primäres Legierungselement, Si, wird in der Matrix durch schnelle Verfestigung gleichmäßig in Form von Feinkristallen mit einer Partikelgröße von nicht mehr als 10 um dispergiert, so daß sowohl die Verschleißbeständigkeit und die Beständigkeit gegen Gleiteigenschaften mit abrasivem Verschleiß verbessert werden, wenn das Gehäuse in Kombination mit dem aus der obigen Zusammensetzung bestehenden Laufrad eingesetzt wird, als auch die mechanische Festigkeit und die Härte der Legierung selbst verbessert werden. Wenn der Si- Gehalt kleiner ist als 5% hat seine Zugabe keine erkennbaren Wirkungen. Wenn der Si-Gehalt 25% überschreitet, wird die Partikelgröße des Si groß, was zu einer Abnahme der mechanischen Festigkeit und Zähigkeit der Legierung führt und die Schmiedeeigenschaften des Pulvers verschlechtert. Somit ist der Gehalt an Si auf Werte beschränkt worden, die sich im Bereich von 5 bis 25 %, vorzugsweise von 5 bis 17%, bewegen.
- Das geformte Gehäuse eines Al-Si-Systems, das durch Gießen oder Druckgießen hergestellt wurde, enthält Teilchen von gleichmäßig in der Al-Matrix dispergiertem Si, und diese Teilchen besitzen eine mittlere Partikelgröße von 30 bis 100 um und tragen zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Legierung und der Gleiteigenschaften und der Verschleißbeständigkeit der Gehäuse bei, wenn sie in Kombination mit Laufrädern verwendet werden, die aus der schnell erstarrten, pulvermetallurgischen Aluminiumlegierung bestehen.
- Die sekundären Legierungselemente, d. h., Cu, Mg und Mn werden dementsprechend in die Matrix eingebaut, so daß die mechanischen Eigenschaften wie etwa mechanische Festigkeit und Zähigkeit verbessert werden. Wenn der Gehalt an Cu geringer ist als 1%, stellt seine Zugabe ungenügende Wirkungen bereit. Wenn der Gehalt an Cu 5% überschreitet, stellt es keine weitere Wirkung bereit, um die Eigenschaften zu verbessern, verursacht aber eine Erniedrigung der Korrosionsbeständigkeit. Wenn der Gehalt an Mg geringer ist als 0,2% liefert seine Zugabe ungenügende Wirkungen. Wenn der Gehalt an Mg 1,5% überschreitet, stellt es keine weitere Wirkung bereit, um die Eigenschaften zu verbessern, bewirkt aber eine Zunahme der Größe von Präzipitationen, was zu einer Verringerung der mechanischen Festigkeit und Zähigkeit führt. Wenn der Gehalt an Mn geringer ist als 0,2% oder 1% überschreitet, liefert es die gleichen Ergebnisse wie jene, die durch die Zugabe von Mg hergestellt wurden. Aus diesen Gründen wurde der Gehalt an diesen Legierungselementen auf die obigen entsprechenden Bereiche beschränkt, d. h., 1 bis 5% für Cu, 0,2 bis 1,5 % für Mg und 0,2 bis 1% für Mn.
- Nun werden die Gründe, weshalb die Zusammensetzung der Aluminiumlegierung für die Laufräder auf den obigen Bereich beschränkt worden ist, zusammen mit der Wirkungsweise eines jeden Legierungselements erklärt.
- Si wird gleichmäßig in der Matrix aus Al in Form von Feinpartikeln dispergiert, so daß sowohl die Verschleißbeständigkeit erhöht als auch das Kornwachstum der Verbindungen von Al mit unten aufgeführten Übergangselementen verhindert wird. Ebenso trägt die gleichmäßige Dispergierung von Si in der Matrix dazu bei, die mechanische Festigkeit und Härte der Legierung zu verbessern. Wenn der Gehalt an Si kleiner ist als 5 % ist es ungenügend, um eine gute Verschleißbeständigkeit unter dem relativen Gleitkontakt bereitzustellen. Wenn der Si- Gehalt 25% übersteigt, wird die Partikelgröße von Si groß, was zu einer Abnahme der mechanischen Festigkeit und Zähigkeit der Legierung und Verschlechterung der Schmiedeeigenschaften des Pulvers führt.
- In diesem Fall ist es wichtig für den Si-Gehalt, daß die folgende Bedingung erfüllt wird: (Wr + Wc) 15%, wobei Wr der Gehalt an Si in der für das Laufrad verwendeten Aluminiumlegierung und W, der Gehalt an Si in der für das Gehäuse verwendeten Aluminiumlegierung ist. Die gleichmäßig in den Matrices der beiden Legierungen verteilten Kristallkornpartikel von Si kommen in Kontakt miteinander und hindern die Matrices am direkten Kontakt, wodurch sie die Verschleißbeständigkeit und Gleiteigenschaften verbessern. Wenn die Summe des Si- Gehalts in der Aluminiumlegierung für das Gehäuse und der Si-Gehalt in der Aluminiumlegierung für das Laufrad, d. h., Wr + Wc, kleiner ist als 15%, wird die Oberfläche, an der die beiden Matrices in direkten Kontakt miteinander kommen, groß und es findet eine plastische Deformation auf entweder einer oder beiden Oberflächen der Matrices durch ausgeübte externe Kräfte statt, was wiederum ein Festfressen oder Adhäsionsverschleiß verursacht. Somit ist es unmöglich, Ölpumpen herzustellen, die in der Praxis verwendet werden können. Fe bildet intermetallische Verbindungen mit Al, beispielsweise FeAl&sub3;, so daß die mechanische Festigkeit bei erhöhter Temperatur verbessert wird. Wenn der Gehalt an Fe geringer ist als 3%, bringt seine Zugabe ungenügende Wirkungen. Wenn der Gehalt an Fe 10% übersteigt, wird die Korngröße der intermetallischen Verbindung groß, was zu einer Abnahme in der mechanischen Festigkeit der Produkte führt.
- Ni bildet intermetallische Verbindungen mit Al, beispielsweise NiAl und NiAl&sub3;, ähnlich wie Fe, so daß die mechanische Festigkeit bei erhöhter Temperatur verbessert wird. Wenn der Gehalt an Ni geringer ist als 3% oder 10 % übersteigt, verursacht es Probleme ähnlich denjenigen, die oben für Fe beschrieben wurden.
- Cr für sich wird in der Matrix fein dispergiert und bildet intermetallische Verbindungen mit Al, beispielsweise CrAl&sub3;, so daß die mechanische Festigkeit bei erhöhter Temperatur verbessert wird. Ebenso verbessert die Zugabe von Cr die Korrosionsbeständigkeit. Wenn der Gehalt an Cr geringer ist als 1%, bringt seine Zugabe ungenügende Wirkungen. Wenn der Gehalt an Cr 8% übersteigt, hat seine Zugabe keine weitere Wirkung auf die Verbesserung der Eigenschaften, und die Größe der Kristallkornpartikel wird groß, was zu einer Verschlechterung in der mechanischen Festigkeit und Zähigkeit führt.
- Die obigen Übergangsmetalle, d. h. Fe, Ni und Cr können alleine oder in Kombination verwendet werden. In kombinierter Verwendung werden diese Elemente vorzugsweise in die Matrix in einer Menge von bis zu 15 eingebaut. Dies deshalb, weil die 15% überschreitende Summe der Gehalte an diesen Elementen keine weitere Wirkung bereitstellt, aber einen solchen Nachteil verursacht, daß es erforderlich ist, wegen der Zunahme im Gehalt der Legierungselemente mit einem hohen Schmelzpunkt die Behandlung der festen Lösung bei höherer Temperatur auszuführen, wenn man das Aluminiumlegierungspulver herstellt. Dies führt zu einer Erhöhung bei den Produktionskosten.
- Mo, V und Zr werden gleichmäßig in der Matrix aus Al in Form von feinen Partikeln dispergiert, um die mechanische Festigkeit der Matrix zu verbessern. Wenn der Gehalt jedes Elements geringer ist als 1%, bringt seine Zugabe keine erkennbaren Wirkungen. Wenn die Summe der zugegebenen Mengen dieser Elemente 5% übersteigt, wird die Kerbempfindlichkeit der dispergierten Partikel groß, was zu einer Abnahme der mechanischen Festigkeit des Produkts führt.
- Cu, Mg und Mn werden in die Matrix eingebaut, um die mechanischen Eigenschaften wie etwa Festigkeit und Härte zu verbessern. Gleichzeitig kontrollieren die sedimentierenden Dispersionsteilchen das Kornwachstum der Verbindungen von Übergangsmetallen (d. h., Fe, Ni und Cr) mit Al. Wenn der Gehalt an Cu geringer ist als 1% bringt seine Zugabe keine erkennbaren Wirkungen. Wenn der Gehalt an Cu 5% übersteigt, stellt seine Zugabe keine weitere Wirkung bereit, als daß es die Korrosionsbeständigkeit verringert. Wenn der Gehalt an Mg geringer ist als 0,2% bringt seine Zugabe keine erkennbaren Wirkungen. Wenn der Gehalt an Mg 1,5% übersteigt, stellt seine Zugabe keine weitere Wirkung bereit, als daß die Bildung von Sedimentpartikeln mit großer Abmessung verursacht wird, was zu einer Verringerung der Festigkeit und Zähigkeit führt. Wenn der Gehalt an Mn geringer ist als 0,2%, bringt seine Zugabe keine erkennbaren Effekte. Wenn der Gehalt an Mn 1% übersteigt, gibt es keine weitere Zunahme in der Wirkung, als daß wegen der Bildung von Sedimentpartikeln großer Abmessung die Verringerung der Festigkeit und Zähigkeit verursacht wird.
- Die I/M-Legierungen haben keine Wirkung der schnellen Erstarrung, sogar wenn sie die gleiche Zusammensetzung haben wie die P/M-Legierungen, wodurch sie es unmöglich machen, daß man eine hohe mechanische Festigkeit erhält. Aus diesem Grund werden in der vorliegenden Erfindung nur die P/M-Legierungen als Material für die Laufräder verwendet.
- Die mechanische Festigkeit der schnell erstarrten pulvermetallurgischen Aluminiumlegierungen, die man für die Pumpenlaufräder verwendet, kann je nach dem, wie es der Anlaß erfordert, durch die bekannte Wärmebehandlung wie etwa T-4, T-6 und dergleichen verbessert werden. Eine solche Wärmebehandlung wird gewöhnlich nach der Erstarrung der Legierung ausgeführt.
- Diese und andere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen davon klar werden.
- Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines System für den Schleiftest;
- Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die Testbedingungen beim Schleifen verdeutlicht;
- Fig. 3 ist eine Seitenansicht einer die vorliegende Erfindung verkörpernden Pumpe, wobei ein Gehäusedeckel entfernt ist.
- Unter Verwendung von Pulvern aus schnell erstarrter Aluminiumlegierung, von denen jedes eine in Tabelle 1 gezeigte Zusammensetzung hat, wurden Probekörper für Schleiftests in der folgenden Weise hergestellt: jedes Pulver aus schnell erstarrter Aluminiumlegierung wurde in Preßkörper mit einer relativen Dichte von 75 bis 93% unter Kühlbedingungen vorgeformt und dann durch Erhitzen der sich ergebenden Preßkörper in einer inerten Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 300ºC bis 560ºC während 0,25 bis 3 Stunden entgast. Nach dem Entgasen wurden die Preßkörper heißgeprägt, so daß Festkörper mit einer Porosität von 2 bis 5% hergestellt wurden, und dann mit heißen Gesenken geschmiedet, so daß Ringe 1 und Platten 2 hergestellt wurden, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind. Jeder Ring 1 hat einen Außendurchmesser von 23 mm, einen Innendurchmesser von 20 mm und eine Höhe von 15 mm, während jede Quadratplatte 2 Seiten von 30 mm und eine Dicke von 6 mm aufweist.
- In Tabelle 1 sind die Probekörper Nrn. 1 bis 10 jene mit einer Zusammensetzung, die den Erfordernissen als ein Material für die Laufräder der vorliegenden Erfindung genügen, während die mit Stern markierten Probekörper Nrn. 11 bis 17 jene sind, die eine Zusammensetzung besitzen, die nicht den Erfordernissen als ein Material für die Laufräder der vorliegenden Erfindung genügen.
- Für jeden Probekörper wurden Messungen auf mechanische Eigenschaften (Zugfestigkeit und Bruchdehnung) und Festfreßeigenschaft durchgeführt. Der Festfreßtest wurde bei einer Temperatur von 50 bis 120ºC mit einem Schub- Abriebtester durchgeführt, indem eine äußerliche Kraft auf den Ring 1 ausgeübt wurde, während die Platte 2 mit einer Geschwindigkeit von 3 m/sec gedreht wurde, wie in Fig. 1 gezeigt. Ein Schmieröl wird auf einen Gleitkontakt zwischen dem Ring und der Platte 2 aufgegeben. Die auf den Ring ausgeübte Kraft wurde jede Minute in Schritten von 49 N (5 kgf) erhöht, bis sie 4900 N (500 kgf) erreicht hatte, wie in Fig. 2 gezeigt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
- Separat von obigem wurden Probekörper für Abriebtests in der gleichen Weise wie oben hergestellt, indem man schnell erstarrte Al-Si-Legierungen für Gehäuse verwendete, wobei jede eine in Tabelle 3 gezeigte Zusammensetzung aufwies. Für jeden Probekörper wurde der Festfreßtest auf die gleiche Weise wie oben in Kombination mit den Probekörpern den Nrn. 1, 2, 4, 6, 9 und 10 der Tabelle 1 ausgeführt. Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 1 Tabelle 2 Tabelle 3
- Wie man aus den in Tabelle 2 gezeigten Ergebnissen erkennen wird, ist die Legierung für Laufräder mit einem Si-Gehalt von weniger als 5%, wie Probekörper Nr. 11, schlecht im Hinblick auf die Festfresseigenschaft. Auch wird man erkennen, daß die Legierung, deren Gehalt an Si wie bei Probekörper Nr. 12 die 25% übersteigt, die Legierung, deren Gehalt an Fe wie bei Probekörper Nr. 13 die 13% übersteigt, die Legierung, deren Gehalt an Ni wie bei Probekörper Nr. 14 die 10% übersteigt, die Legierung, deren Summe der Gehalte an Fe, Ni und Cr wie bei Probekörper Nr. 15 die 15% übersteigt, und die Legierung, deren Summe der Gehalte an Mo, V und Zr wie bei Probekörper Nr. 17 die 5% übersteigt, ziemlich schlecht in der Zähigkeit (Elongation) sind. Ferner wird man sehen, daß die Legierungen, die keine übergangsmetallelemente wie bei Probekörper Nr. 16 enthalten, schlecht in der Zugfestigkeit bei erhöhter Temperatur sind.
- Wie man aus den in Tabelle 3 gezeigten Ergebnissen erkennen wird, erhält man gute Ergebnisse nur, wenn die Legierung für Laufräder in Kombination mit der Al-Si- Legierung für Gehäuse eingesetzt wird, so daß die Summe der Si-Gehalte von beiden Legierungen 15% übersteigt.
- Unter Verwendung jedes Pulvers aus schnell erstarrter Aluminiumlegierung von Probekörpern Nrn. 1, 3, 11 und 12 in Tabelle 1 wurden wie in Fig. 3 gezeigt äußere Laufräder 3 und innere Laufräder 4 für eine Ölpumpe auf die folgende Weise hergestellt: Jedes Legierungspulver wurde in innere und äußere Preßkörper mit einer relativen Dichte von 75 bis 93% unter Kaltbedingungen vorgeformt. Die Preßkörper wurden durch Erhitzen in einer inerten Atmosphäre bei einer Temperatur von 300 bis 560ºC während 0,25 bis 3 Stunden entgast, heißgeprägt, so daß Festkörper mit einer Porosität von 2 bis 5% erzeugt worden sind, und dann mit heißen Gesenken geschmiedet, so daß man innere und äußere Laufräder mit einer Zahnflanke wie in Fig. 3 gezeigt erzeugt hat.
- Separat von obigem wurden unter Verwendung von Pulver aus schnell erstarrter Al-Si-Legierung mit einer in Tabelle 4 gezeigten Zusammensetzung wie in Fig. 3 gezeigte Gehäuse 5 auf die gleiche Weise wie oben erzeugt.
- Dann wurden Ölpumpen hergestellt, von denen jede eine Kombination der äußeren und inneren Laufräder 3, 4 und des Gehäuses 5 wie in Tabelle 4 gezeigt besaß. Für jede Ölpumpe wurde eine Leistungsmessung unter den folgenden Bedingungen durchgeführt. Ergebnisse sind in Tabelle 4 zusammengefaßt.
- Drehzahl der Pumpe: 4000-6500 U/min
- Einlaßdruck: 2 MPa (20 kg/cm²)
- Verwendetes Öl: Schmieröl ATF bei 120ºC
- Testdauer: 50 Stunden Tabelle 4
- In Tabelle 4 bedeutet ?, daß die Pumpe gute Leistung zeigt und keinen Verschleiß und Schaden an gleitenden Teilen aufweist, Δ bedeutet, daß Adhäsionsverschleiß zwischen dem äußeren Laufrad und dem Gehäuse auftrat, bedeutet, daß Adhäsionsverschleiß oder Kratzer an Zahnteilen der Laufräder gefunden wurden, und x bedeutet, daß das Laufrad während der Gleitbewegung gebrochen ist.
- Wie man aus den in Tabelle 4 gezeigten Daten erkennt, erhält man gute Ergebnisse nur, wenn die aus Pulver aus schnell erstarrter Aluminiumlegierung von Prüfkörper-Nr. 1 oder 3 in Tabelle 1 bestehenden Laufräder mit dem Gehäuse aus Al-Si-Legierung mit einem Si-Gehalt von 5 bis 25% auf eine solche Weise kombiniert werden, daß die Summe des Si-Gehalts der Legierung für das Gehäuse und dem der Legierung für das Laufrad gleich oder größer ist als 15%.
- Unter Verwendung von I/M-Aluminiumlegierungen eines Al- Si-Systems, von denen jede bezogen auf das Gewicht aus 5 bis 25% Si, 1 bis 5% Cu, 0,2 bis 1,5% Mg, 0,2 bis 1% Mn und dem Rest aus Al und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, wurden Probekörper für den Abriebtest in Form einer quadratischen Platte mit vier Seiten von 30 mm und einer Dicke von 6 mm hergestellt.
- Für jeden Probekörper wurde der Festfresstest in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 in Kombination mit den in Beispiel 1 unter Verwendung von Legierungen der Prüfkörper der Nummern 1, 2, 4, 6, 9 und 10 von Tabelle 1 hergestellten Ringen durchgeführt. Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt. Tabelle 5
- Unter Verwendung jedes Pulvers aus schnell erstarrter Aluminiumlegierung der Probekörper-Nrn. 1, 3, 11 und 12 in Tabelle 1 wurden äußere Laufräder 3 und innere Laufräder 4 für eine Ölpumpe wie in Fig. 3 gezeigt auf die gleiche Weise wie in Beispiel 2 hergestellt.
- Mittels Gesenkschmieden wurden unter Verwendung von I/M- Aluminiumlegierungen eines Al-Si-Systems mit einer wie in Tabelle 6 gezeigten Zusammensetzung wie in Fig. 3 gezeigte Gehäuse 5 hergestellt. Jede Legierung besteht, bezogen auf das Gewicht, aus 5 bis 25% Si, 1 bis 5% Cu, 0,2 bis 1,5% Mg, 0,2 bis 1% Mn, und dem Rest aus Al und unvermeidbaren Verunreinigungen.
- Die Gehäuse wurden mit in Beispiel 2 hergestellten äußeren und inneren Laufrädern 3, 4 kombiniert, so daß Ölpumpen fabriziert wurden, von denen jede eine wie in Tabelle 6 gezeigte Kombination von Laufrädern und Gehäuse besaß. Für jede Ölpumpe wurde die Leistung unter folgenden Bedingungen gemessen. Ergebnisse sind in Tabelle 6 zusammengefaßt.
- Drehzahl der Pumpe: 4000-6500 U/min
- Einlaßdruck: 2 MPa (20 kg/cm²)
- Verwendetes Öl: Schmieröl ATF bei 120ºC
- Testdauer: 50 Stunden Tabelle 6
- Anmerkung:
- ?: Die Pumpe zeigt gute Leistungen und besitzt keinen Verschleiß und Schaden an gleitenden Teilen
- Δ: Adhäsionsverschleiß zwischen dem äußeren Laufrad und dem Gehäuse trat auf.
- : Adhäsionsverschleiß oder Kratzer am Zahnteil der Laufräder wurden gefunden.
- x: Das Laufrad ist während der Gleitbewegung gebrochen.
- Wie man aus den in Tabelle 6 gezeigten Daten erkennt, erhält man gute Ergebnisse nur, wenn die aus Pulver einer schnell erstarrten Aluminiumlegierung bestehenden Laufräder mit dem aus der I/M-Al-Si-Legierung mit einem Si-Gehalt von 5 bis 25% bestehenden Gehäuse auf eine solche Weise kombiniert werden, daß die Summe des Si- Gehalts der Legierung für das Gehäuse und desjenigen der Legierung für das Laufrad gleich oder größer als 15% ist.
Claims (6)
1. Aus Aluminiumlegierungen gebildete Ölpumpe, mit:
(i) einem Gehäuse und
(ii) wenigstens einem darin untergebrachten Laufrad;
wobei das Gehäuse aus einer schnell erstarrten
pulvermetallurgischen oder Ingot-metallurgischen
Aluminiumlegierung gebildet wird, die, bezogen auf das
Gewicht, aus 5 bis 25% Si; 1 bis 5% Cu; 0,2 bis 1,5%
Mg; und 0,2 bis 1% Mn besteht, wobei der Rest Al und
unvermeidbare Verunreinigungen sind, und
wobei das Laufrad aus einer schnell erstarrten
pulvermetallurgischen Aluminiumlegierung gebildet wird,
die, bezogen auf das Gewicht, aus 5 bis 25% Si; 1 bis 15
von wenigstens einem Element aus 3 bis 10% Fe, 3 bis
10% Ni und 1 bis 8% Cr; wahlweise allen drei Elementen
aus 0,2 bis 1, 5% Mg, 0,2 bis 1% Mn und 1 bis 5% Cu;
und wahlweise bis zu 5 Ps insgesamt von einem oder
mehreren Elementen aus 1 bis 5% Mo, 1 bis 5% V und 1
bis 5% Zr, besteht, wobei der Rest Al und unvermeidbare
Verunreinigungen sind,
worin die Summe des Si-Gehalts der Aluminiumlegierung für
das Gehäuse und derjenigen für das Laufrad gleich oder
größer ist als 15%.
2. Ölpumpe nach Anspruch 1, in der das Laufrad aus
einer schnell erstarrten pulvermetallurgischen
Aluminiumlegierung gebildet ist, die aus 5 bis 25 Si; 1
bis 15% von wenigstens einem Element aus 3 bis 10% Fe,
3 bis 10% Ni und 1 bis 8% Cr; und 1-5% von wenigstens
einem Element aus 1 bis 5% Mo, 1 bis 5% V und 1 bis 5%
Zr, besteht, wobei der Rest Al und unvermeidbare
Verunreinigungen sind.
3. Ölpumpe nach Anspruch 1, in der das Laufrad aus
einer schnell erstarrten pulvermetallurgischen
Aluminiumlegierung gebildet ist, die aus 5 bis 25% Si; 1
bis 15% von wenigstens einem Element aus 3 bis 10% Fe,
3 bis 10% Ni und 1 bis 8% Cr; und 1,4 bis 7,5% eines
aus Cu, Mg und Mn zusammengesetzten
Legierungsgrundstoffes besteht, wobei der alleinige
Gehalt an Mg 0,2 bis 1,5%, der alleinige Gehalt an Mn
0,2 bis 1%, der alleinige Gehalt an Cu 1 bis 5%
beträgt, und wobei der Rest Al und unvermeidbare
Verunreinigungen sind.
4. Ölpumpe nach Anspruch 1, in der das Laufrad aus
einer schnell erstarrten pulvermetallurgischen
Aluminiumlegierung gebildet ist, die aus 5 bis 25% Si; 1
bis 15% von wenigstens einem Element aus 3 bis 10% Fe,
3 bis 10% Ni und 1 bis 8% Cr; 1-5% von wenigstens
einem Element aus 1 bis 5% Mo, 1 bis 5% V und 1 bis 5%
Zr; und 1, 4 bis 7, 5% eines aus Cu, Mg und Mn
zusammengesetzten Legierungsgrundstoffes besteht, wobei
der alleinige Gehalt an Mg 0,2 bis 1, 5%, der alleinige
Gehalt an Mn 0,2 bis 1%, der alleinige Gehalt an Cu 1
bis 5% beträgt, und wobei der Rest Al und unvermeidbare
Verunreinigungen sind.
5. Ölpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in
der das Gehäuse aus einer schnell erstarrten
pulvermetallurgischen oder Ingot-metallurgischen
Aluminiumlegierung besteht, die, bezogen auf das Gewicht,
aus 5 bis 17% Si; 1 bis 5% Cu, 0,2 bis 1, 5% Mg; und
0,2 bis 1% Mn besteht, wobei der Rest Al und
unvermeidbare Verunreinigungen sind.
6. Verfahren zur Herstellung einer Ölpumpe gemäß einem
der vorhergehenden Ansprüche, in dem das Laufrad mittels
eines Verfahrens hergestellt wird, das die folgenden
Schritte umfaßt:
(a) Vorformen eines Pulvers einer schnell erstarrten
Aluminiumlegierung zu einem Preßkörper mit einer
relativen Dichte von 75 bis 90% unter Kalt- oder
Warmbedingungen;
(b) Erhitzen und Entgasen des Preßkörpers in einer
inerten Gasatmosphäre bei einer Temperatur von 300ºC
bis 560.ºC während 0,25 bis 3 Stunden; und
(c) Heißprägen des Preßkörpers zum Herstellen eines
verfestigten Körpers mit einer Porosität von 2 bis
5%.
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