DE10117298C1 - Kolbenlegierung für Verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Kolbenlegierung für Kolben von Verbrennungskraftmaschinen auf Aluminium-Silizium-Basis mit Anteilen des Legierungselementes Lanthan, wobei die Kolbenlegierung unter Zugabe von bis zu 3 Gew.-% aus einer Mischung von mindestens 2 Elementen der seltenen Erdmetalle gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenlegierung für Kolben für Verbrennungskraftmaschinen auf Aluminium-Silizium-Basis.

Die Anforderungen, die an heutige Verbrennungskraftmaschinen gestellt werden, steigen stetig. Dabei wird eine Leistungssteigerung mit einem minimierten Kraftstoffverbrauch bei möglichst geringen Emissionen angestrebt. Höhere Leistungsabgaben der Motoren bedingen zwangsläufig höhere Kompressionsdrücke und Verbrennungstemperaturen im Brennraum der Motoren. Üblicherweise werden für Kolben in Verbrennungskraftmaschinen Aluminium-Silizium-Basis-Legierungen eingesetzt, da diese gute Festigkeitseigenschaften und geeignetes thermisches Ausdehungsverhalten mit einem geringen spezifischen Gewicht vereinen. Bespiele für typische Kolbenlegierungen sind im Kolben-Handbuch der Firma Alcan Deutschland GmbH, aus dem Jahre 1992, aufgelistet.

Um den Anforderungen des Kolben-Zylinder-Systems gerecht zu werden, sind Kolbenlegierungen entwickelt worden, die eine geringe Wärmedehnung, eine hohe Festigkeit und Verschleißbeständigkeit sowie eine hohe Dauerfestigkeit aufweisen. Eine entscheidende Werkstoffkenngröße ist dabei die Dauerfestigkeit. Da die Kolben im Betrieb einem ständigen Lastwechsel unterworfen sind, bestimmt die Dauerfestigkeit die Lebensdauer des Kolbens. Neben der Erzielung einer hohen Dauerfestigkeit gehen die Bestrebungen dahin, Kolben mit möglichst geringem Gewicht herzustellen, um das Gewicht des Motors und damit den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren.

In dem Aufsatz: "Effect of lanthanum on the properties of diesel engine pistons" aus der Zeitschrift: Aluminium (Band 66, Jahrgang 1990, Heft 12) wird der Einfluss des seltenen Erd-Metalls Lanthan auf verschiedene Kolbenlegierungen beschrieben. Hierbei stehen die Optimierung der spezifischen Werkstoffkennwerte im Vordergrund, insbesondere eine geringe Wärmedehnung und eine hohe Verschleißbeständigkeit werden als Ziele angegeben. Der Einsatz von 0,05 Gew.-% Lanthan in Kolbenlegierungen bewirkt u. a. die Bildung von Dispersoiden in der Matrix des α- Aluminiums, die Dispersoide steigern dabei die Warmfestigkeit der Kolbenlegierung. Der Einsatz von Lanthan als Legierungselement bestimmt zwar die Festigkeit des Kolbenwerkstoffes, hat aber keinen Einfluss auf das Werkstoffgefüge. Dass eine Kornfeinung durch das Lanthan hervorgerufen wird, kann dem Aufsatz nicht entnommen werden.

Die Veränderungen der Werkstoffkennwerte von Legierungen durch die Zugabe von seltenen Erden ist bekannt und findet vielfach in Aluminium-Magnesium-Legierungen Verwendung. In der deutschen Offenlegungsschrift DE 198 38 018 A1 wird eine schweißbare, korrosionsbeständige, hochmagnesiumhaltige Aluminium-Magnesium- Legierung beschrieben, wobei durch die Zugabe von Scandium die Korrosionsbeständigkeit erhöht wird. Es wird weiterhin die Zugabe von Lanthaniden in Gew.-% zwischen 0,05 und 0,35 vorgeschlagen. Welche spezifischen Werkstoffeigenschaften hierdurch verändert werden oder ob überhaupt eine Veränderung auftritt, darüber kann der o. g. Offenlegungsschrift keine Angabe entnommen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Legierungszusätze für Kolbenlegierungen zu finden, die eine gezielte Feinung der Makro-Körner bewirken und/oder eine homogenere Verteilung der Gefügebestandteile hervorrufen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind im Unteranspruch dokumentiert.

Der erfindungsgemäße Gedanke löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass das Werkstoffgefüge der Aluminium-Silizium-Kolbenlegierung gezielt beeinflusst wird, wobei die Kolbenlegierung unter Zugabe von bis zu 3 Gew.-% aus einer Mischung von mindestens 2 Elementen der seltenen Erd-Metalle gebildet ist.

Es hat sich gezeigt, dass durch die Zugabe von mehreren seltenen Erd-Metallen das Gefüge der Kolbenlegierungen gezielt beeinflusst werden kann. So führen Zusätze an seltenen Erden von bis zu 1 Gew.-% zu einer Feinung verschiedener Gefügebestandteile und damit zu einer Verbesserung der Dauerfestigkeit. Als wesentliche Merkmale der Gefügemodifizierung durch die Zugabe von seltenen Erden sind hier eine erhebliche Absenkung der Korngröße und eine Feinung des primären und sekundären Siliziums sowie der intermetallischen Phasen zu nennen. Weiterhin wird eine homogenere Verteilung der Gefügebestandteile erreicht. Für diese Gefüge- und Eigenschaftsveränderungen sind im wesentlichen drei Mechanismen verantwortlich. Zum ersten bilden die seltenen Erd-Metalle Dispersoide, die als inkohärente Ausscheidungen die Warmfestigkeit und die Kriechbeständigkeit erhöhen. Zum zweiten reichern sich die seltenen Erden um das primäre Silizium an und behindern so das Wachstum des primären Siliziums. Das hat zur Folge, dass auf mehr Keimen primäres Silizium wächst und damit die mittlere Größe der primären Silizium-Partikel absinkt. Drittens bilden die seltenen Erden (SE) selbst intermetallische Phasen, die äquivalent zu den Zweistoffsystemen die Verbindung Al₃SE eingehen.

Diese Gefügeveränderungen haben eine erhebliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Dauerfestigkeit bei erhöhten Temperaturen zur Folge, wodurch die Lebensdauer eines Kolbens wesentlich erhöht wird. Die zur Erzielung der genannten Eigenschaften eingesetzten Verfahren zur Wärmebehandlung orientieren sich an denen für übliche Kolbenlegierungen. Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Kolbenlegierung ist es nun möglich, Kolben mit höchster Festigkeit und minimalem Materialaufwand herzustellen.

Für die Versuche wurde eine übereutektische Aluminium-Silizium-Kolbenlegierung ausgewählt. Unter Zugabe von 0,2-0,3 Gew.-% an seltenen Erden hat sich überraschend herausgestellt, dass es zu einer deutlichen Feinung des primären und sekundären Siliziums sowie der intermetallischen Phasen kommt. Mit Hilfe dieser Kolbenlegierung hergestellte Kolben wiesen insbesondere eine deutliche Steigerung der Dauerfestigkeit auf, die auch unter erhöhten Temperaturen Bestand hatte.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und an Skizzen erläutert werden.

Fig. 1 zeigt das Makroschliffbild einer übereutektischen Aluminium- Silizium-Legierung

Fig. 2 zeigt das Makroschliffbild einer erfindungsgemäß legierten Aluminium-Silizium-Legierung unter Zugabe von seltenen Erden

Fig. 3 zeigt das Mikrogefüge einer übereutektischen Aluminium- Silizium-Legierung

Fig. 4 zeigt das Mikrogefüge einer erfindungsgemäß legierten übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung unter Zugabe von seltenen Erden

In Fig. 1 ist ein Makroschliff einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung dargestellt. Das Gefügebild 1 ist von gestreckten, sich bis zu etwa 20 mm langen Körnern 2 geprägt. Der Gefügeaufbau 3 in Fig. 2 unterscheidet sich deutlich vom Gefügeaufbau 1 aus Fig. 1. Durch die Zugabe von seltenen Erden ist es zu einer Verringerung der Korngröße 4 und zu einem Übergang von columnarem zu globularem Kornwachstum im Gefügeaufbau 3 gekommen.

Als beispielhaftes Merkmal ist im Gefügebild 5 der Fig. 3 das primäre Silizium 6 zu erkennen. Die Ausscheidungen an primärem Silizium 7 in Fig. 4 sind deutlich kleiner als in Fig. 3.

Claims (2)

1. Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine, bestehend aus einer Kolbenlegierung auf Aluminium-Silizium-Basis mit einem Element aus der Gruppe der seltenen Erden Metallen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenlegierung unter Zugabe von bis zu 3 Gew.-% aus einer Mischung von mindestens 2 Elementen der seltenen Erden Metalle gebildet ist, wobei etwa 0,2 Gew.-% an Cer (Ce) und Praseodym (Pr) zugegeben ist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenlegierung unter Zugabe von 50 ppm bis zu 1 Gew.-% von einem oder mehreren Elemente der seltenen Erden, Lanthan (La), Yttrium (Y), Neodym (Nd), Scandium (Sc), Europium (Eu), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb), Lutetium (Lu) gebildet ist.