DE102011083970A1 - Method for producing an engine component and engine component - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem eine Aluminiumlegierung im Niederdruckgussverfahren abgegossen wird. Dabei weist die Aluminiumlegierung die folgenden Legierungselemente auf: Silizium: 9 Gew.-% bis 11 Gew.-%, Nickel: 1,7 Gew.-% bis 3,5 Gew.-%, Kupfer: 3,7 Gew.-% bis 5,2 Gew.-%, Magnesium: 1,6 Gew.-% bis 4,5 Gew.-%, Eisen: 0,1 Gew.-% bis 0,7 Gew.-%, Mangan: 0,05 Gew.-% bis 0,2 Gew.-%, Zirkonium: 0,04 Gew.-% bis 0,1 Gew.-%, Vanadium: 0,04 Gew.-% bis 0,1 Gew.-%, Strontium: 150 ppm bis 250 ppm.The present application relates to a method for producing an engine component, in particular a piston for an internal combustion engine, in which an aluminum alloy is poured in the low-pressure casting process. In this case, the aluminum alloy has the following alloying elements: silicon: 9 wt .-% to 11 wt .-%, nickel: 1.7 wt .-% to 3.5 wt .-%, copper: 3.7 wt .-% to 5.2 wt.%, magnesium: 1.6 wt.% to 4.5 wt.%, iron: 0.1 wt.% to 0.7 wt.%, manganese: 0.05 Wt% to 0.2 wt%, zirconium: 0.04 wt% to 0.1 wt%, vanadium: 0.04 wt% to 0.1 wt%, strontium : 150 ppm to 250 ppm.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem eine Aluminiumlegierung im Niederdruckgussverfahren abgegossen wird, ein Motorbauteil, das zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung besteht, und die Verwendung einer Aluminiumlegierung zur Herstellung eines solchen Motorbauteils.The present invention relates to a method for producing an engine component, in particular a piston for an internal combustion engine, in which an aluminum alloy is cast by low-pressure casting, an engine component which consists at least partially of an aluminum alloy, and the use of an aluminum alloy for producing such an engine component.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

In den letzten Jahren wurden zunehmend Forderungen nach besonders ökonomischen und damit ökologischen Transportmitteln laut, die hohen Verbrauchs- und Emissionsanforderungen gerecht werden müssen. Zudem besteht jeher das Bedürfnis, Motoren möglichst leistungsfähig und verbrauchsarm zu gestalten. Ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung von leistungsfähigen und emissionsarmen Verbrennungsmotoren sind Kolben, die bei immer höheren Verbrennungstemperaturen und Verbrennungsdrücken eingesetzt werden können, was im Wesentlichen durch immer leistungsfähigere Kolbenwerkstoffe ermöglicht wird.In recent years there has been an increasing demand for particularly economical and thus ecological means of transport, which have to meet high consumption and emission requirements. In addition, there is always the need to make engines as powerful and low-consumption. A key factor in the development of high-performance and low-emission combustion engines are pistons, which can be used at ever higher combustion temperatures and combustion pressures, which is essentially made possible by more efficient piston materials.

Grundsätzlich muss ein Kolben für einen Verbrennungsmotor eine hohe Warmfestigkeit aufweisen und dabei gleichzeitig möglichst leicht und fest sein. Dabei ist es von besonderer Bedeutung, wie die mikrostrukturelle Verteilung, Morphologie, Zusammensetzung und thermische Stabilität höchstwarmfester Phasen ausgebildet sind. Eine diesbezügliche Optimierung berücksichtigt üblicherweise einen minimalen Gehalt an Poren und oxidischen Einschlüssen.Basically, a piston for an internal combustion engine must have a high heat resistance and at the same time be as light and strong as possible. It is of particular importance how the microstructural distribution, morphology, composition and thermal stability of highly heat-resistant phases are formed. An optimization in this regard usually takes into account a minimum content of pores and oxide inclusions.

Der gesuchte Werkstoff muss sowohl hinsichtlich isothermer Schwingfestigkeit (HCF) als auch hinsichtlich thermomechanischer Ermüdungsfestigkeit (TMF) optimiert werden. Um die TMF möglichst gut auszugestalten ist stets eine möglichst feine Mikrostruktur des Werkstoffs anzustreben. Eine feine Mikrostruktur reduziert die Gefahr des Entstehens von Mikroplastizität bzw. von Mikrorissen an relativ großen primären Phasen (insbesondere an primären Siliziumausscheidungen) und damit auch die Gefahr von Rissinitiierung und -ausbreitung.The material sought must be optimized for both isothermal fatigue strength (HCF) and thermo-mechanical fatigue strength (TMF). In order to design the TMF as well as possible, the goal is always to achieve the finest possible microstructure of the material. A fine microstructure reduces the risk of microplasticity or microcracks on relatively large primary phases (especially primary silicon precipitates) and hence the risk of crack initiation and propagation.

Grundsätzlich ist bekannt, dass sich beim Niederdruckgussverfahren, im Gegensatz zum Druckgussverfahren, eine geringere Porosität und ein abnehmender Gehalt an oxidischen Einschlüssen einstellen lässt, weil hier nur verhältnismäßig leichte Schmelzströmungsturbulenzen auftreten. Hierdurch wird eine vergleichsweise geringe Defektdichte erhalten, was erheblich zu guten mechanischen Eigenschaften des hergestellten Bauteils beiträgt. Insbesondere in Bezug auf HCF, aber auch auf TMF sind die Eigenschaften eines derart hergestellten Bauteils vorteilhaft.In principle, it is known that in the case of the low-pressure casting method, in contrast to the die-casting method, a lower porosity and a decreasing content of oxide inclusions can be set because only relatively slight melt flow turbulences occur here. As a result, a comparatively low defect density is obtained, which contributes significantly to good mechanical properties of the manufactured component. In particular with regard to HCF but also to TMF, the properties of a component produced in this way are advantageous.

Unter TMF-Beanspruchung treten an relativ großen primären Phasen, insbesondere an primären Siliziumausscheidungen, aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Bestandteile der Legierung, nämlich der Matrix und der primären Phasen, Mikroelastizitäten bzw. Mikrorisse auf, die die Lebensdauer des Kolbenwerkstoffs erheblich senken können. Zur Erhöhung der Lebensdauer ist bekannt, die primären Phasen möglichst klein zu halten.Under TMF stress, microelasticities or microcracks occur on relatively large primary phases, especially primary silicon precipitates, due to different coefficients of expansion of the individual constituents of the alloy, namely the matrix and the primary phases, which can significantly reduce the life of the piston material. To increase the life is known to keep the primary phases as small as possible.

Insbesondere beim Niederdruckguss kann Strontium zur Dauerveredelung von Aluminium-Silizium-Legierungen verwendet werden. Eine solche Veredelung betrifft vor Allem die Gießeigenschaften der Legierung und erhöht die Duktilität des Werkstoffs. Durch die gezielte Veredelung mit Strontium lässt sich bewirken, dass das eutektische Silizium in der Legierung nicht grobkörnig, sondern fein verteilt und in abgerundeter Form vorliegt. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die TMF und HCF Eigenschaften der Legierung aus.Strontium can be used for continuous refining of aluminum-silicon alloys, especially in low-pressure casting. Such finishing particularly affects the casting properties of the alloy and increases the ductility of the material. The targeted refining with strontium can cause the eutectic silicon in the alloy is not coarse-grained, but finely distributed and in a rounded form. This has an advantageous effect on the TMF and HCF properties of the alloy.

Wie beim Druckguss gibt es jedoch auch beim Niederdruckguss eine Konzentrationsobergrenze, bis zu der Legierungselemente eingebracht werden sollten und bei deren Überschreiten die Gießbarkeit der Legierung erschwert oder unmöglich gemacht wird. Darüber hinaus kommt es bei zu hohen Konzentrationen von festigkeitssteigernden Elementen zur Bildung großer plattenförmiger intermetallischer Phasen, die die Ermüdungsfestigkeit drastisch absenken.However, as with die casting, low pressure casting also has an upper limit on its concentration, up to which alloying elements should be introduced and, if exceeded, makes the casting of the alloy difficult or impossible. In addition, too high concentrations of strength-enhancing elements lead to the formation of large plate-shaped intermetallic phases, which drastically lower the fatigue strength.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, bei dem eine Aluminiumlegierung im Niederdruckgussverfahren abgegossen wird, so dass ein höchstwarmfestes Motorbauteil im Niederdruckgussverfahren hergestellt werden kann.An object of the present invention is to provide a method for producing an engine component, in particular a piston for an internal combustion engine, in which an aluminum alloy is poured by low-pressure casting, so that a highly heat-resistant engine component can be produced by low-pressure casting.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gegeben. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den diesbezüglichen Unteransprüchen.The solution to this problem is given by the method according to claim 1. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the relevant subclaims.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Motorbauteil, insbesondere einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, bereitzustellen, das/der höchstwarmfest ist und dabei zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung besteht.A further object of the invention is to provide an engine component, in particular a piston for an internal combustion engine, which is highly heat-resistant and at least partially consists of an aluminum alloy.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 6 gelöst und weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den diesbezüglichen Unteransprüchen.This object is achieved by the subject matter of claim 6 and further preferred embodiments will become apparent from the relevant subclaims.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren weist die Aluminiumlegierung die folgenden Legierungselemente auf:
Silizium: 9 Gew.-% bis 11 Gew.-%,
Nickel: 1,7 Gew.-% bis 3,5 Gew.-%,
Kupfer: 3,7 Gew.-% bis 5,2 Gew.-%,
Magnesium: 1,6 Gew.-% bis 4,5 Gew.-%,
Eisen: 0,1 Gew.-% bis 0,7 Gew.-%
Mangan: 0,05 Gew.-% bis 0,2 Gew.-%,
Zirkonium: 0,04 Gew.-% bis 0,1 Gew.-%,
Vanadium: 0,04 Gew.-% bis 0,1 Gew.-%,
Strontium: 150 ppm bis 250 ppm.
In a method according to the invention, the aluminum alloy has the following alloying elements:
Silicon: 9% by weight to 11% by weight,
Nickel: 1.7% to 3.5% by weight,
Copper: from 3.7% to 5.2% by weight,
Magnesium: 1.6% to 4.5% by weight,
Iron: 0.1% to 0.7% by weight
Manganese: 0.05% to 0.2% by weight,
Zirconium: 0.04 wt% to 0.1 wt%,
Vanadium: 0.04% to 0.1% by weight,
Strontium: 150 ppm to 250 ppm.

Durch die gewählte Aluminiumlegierung ist es möglich, im Niederdruckgussverfahren ein Motorbauteil herzustellen, das einen hohen Anteil fein verteilter, hochwarmfester, thermisch stabiler Phasen enthält. Die Legierung weist ferner ein veredeltes Gefüge auf, das unter anderem zu guten Gießeigenschaften und erhöhter Duktilität führt. Die Wahl des Niederdruckgussverfahrens ermöglicht eine besonders geringe Ausprägung von Strömungsturbulenzen beim Abgießen des Motorbauteils, was zu einer geringen Porosität und Oxidbildung führt. Die Anfälligkeit gegenüber Rissinitiierung und -ausbreitung an Poren, Oxiden oder primären Phasen wird durch die Wahl des Niederdruckgussverfahrens in Kombination mit der erfindungsgemäßen Legierung gegenüber den bisher bekannten Herstellungsverfahren von Kolben und ähnlichen Motorbauteilen reduziert. Somit kann ein höchstwarmfestes Motorbauteil im Niederdruckgussverfahren hergestellt werden.Due to the selected aluminum alloy, it is possible to produce a motor component in the low-pressure casting process, which contains a high proportion of finely divided, highly heat-resistant, thermally stable phases. The alloy also has a refined structure, which among other things leads to good casting properties and increased ductility. The choice of low-pressure casting method allows a particularly low expression of flow turbulence during the casting of the engine component, which leads to a low porosity and oxide formation. The susceptibility to crack initiation and propagation of pores, oxides or primary phases is reduced by the choice of the low pressure casting process in combination with the alloy of the invention over the hitherto known manufacturing processes of pistons and similar engine components. Thus, a highly heat resistant engine component can be produced by low pressure casting.

Mit Vorteil weist die Aluminiumlegierung 0,4 Gew.-% bis 0,6 Gew.-% Eisen und alternativ oder zusätzlich 3,6 Gew.-% bis 4,5 Gew.-% Magnesium auf.Advantageously, the aluminum alloy comprises from 0.4% to 0.6% by weight of iron and alternatively or additionally from 3.6% to 4.5% by weight of magnesium.

Mit Vorteil beträgt in der Aluminiumlegierung das Gewichtsverhältnis von Eisen zu Mangan höchstens 6:1 bevorzugt etwa 4:1. In dieser Ausführungsform enthält die Aluminiumlegierung also höchstens sechs Teile Eisen gegenüber einem Teil Mangan, bevorzugt etwa vier Teile Eisen gegenüber einem Teil Mangan. Durch dieses Verhältnis werden besonders vorteilhafte Festigkeitseigenschaften des Motorbauteils erzielt.Advantageously, in the aluminum alloy, the weight ratio of iron to manganese is at most 6: 1, preferably about 4: 1. Thus, in this embodiment, the aluminum alloy contains at most six parts iron versus one part manganese, preferably about four parts iron versus one part manganese. By this ratio particularly advantageous strength properties of the engine component can be achieved.

Bevorzugt weist die Aluminiumlegierung einen Phosphorgehalt von weniger als 30 ppm auf. Dies hilft dabei, primäre Siliziumausscheidungen zu vermeiden und dient, ebenso wie ein bevorzugter Silizium- und Strontiumgehalt der Legierung, dazu, den Kolben nahezu primär siliziumfrei zu halten. Der bevorzugte maximale Phosphorgehalt führt also ebenfalls zu besonders guten TMF-Eigenschaften des Motorbauteils.Preferably, the aluminum alloy has a phosphorus content of less than 30 ppm. This helps to avoid primary silicon precipitates and, as well as a preferred silicon and strontium content of the alloy, serves to keep the piston near-primary silicon free. The preferred maximum phosphorus content thus also leads to particularly good TMF properties of the engine component.

Im Übrigen weist die Aluminiumlegierung Aluminium und nicht zu vermeidende Verunreinigungen auf.Incidentally, the aluminum alloy has aluminum and unavoidable impurities.

Ein erfindungsgemäßes Motorbauteil besteht zumindest teilweise aus einer der oben genannten Aluminiumlegierungen. Ein weiterer unabhängiger Aspekt der Erfindung liegt in der Verwendung der oben ausgeführten Aluminiumlegierung für die Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens eines Verbrennungsmotors. Insbesondere wird die aufgefundene Aluminiumlegierung dabei im Niederdruckgussverfahren verarbeitet.An engine component according to the invention consists at least partially of one of the abovementioned aluminum alloys. Another independent aspect of the invention resides in the use of the above-described aluminum alloy for the manufacture of an engine component, in particular a piston of an internal combustion engine. In particular, the aluminum alloy found is processed in the low-pressure casting process.

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem eine Aluminiumlegierung im Niederdruckgussverfahren abgegossen wird, wobei die Aluminiumlegierung die folgenden Legierungselemente aufweist: Silizium: 9 Gew.-% bis 11 Gew.-% Nickel: 1,7 Gew.-% bis 3,5 Gew.-% Kupfer: 3,7 Gew.-% bis 5,2 Gew.-%, Magnesium: 1,6 Gew.-% bis 4,5 Gew.-%, Eisen: 0,1 Gew.-% bis 0,7 Gew.-%, Mangan: 0,05 Gew.-% bis 0,2 Gew.-%, Zirkonium: 0,04 Gew.-% bis 0,1 Gew.-%, Vanadium: 0,04 Gew.-% bis 0,1 Gew.-%, Strontium: 150 ppm bis 250 ppm.Method for producing an engine component, in particular a piston for an internal combustion engine, in which an aluminum alloy is poured by the low-pressure casting method, wherein the aluminum alloy has the following alloying elements: Silicon: 9 wt.% To 11 wt.% Nickel: 1.7% to 3.5% by weight Copper: from 3.7% to 5.2% by weight, Magnesium: 1.6% to 4.5% by weight, Iron: 0.1% to 0.7% by weight, Manganese: 0.05% to 0.2% by weight, Zirconium: 0.04 wt% to 0.1 wt%, Vanadium: 0.04% to 0.1% by weight, Strontium: 150 ppm to 250 ppm. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Aluminiumlegierung 0,4 Gew.-% bis 0,6 Gew.-% Eisen und/oder 3,6 Gew.-% bis 4,5 Gew.-% Magnesium aufweist.The method of claim 1, wherein the aluminum alloy comprises from 0.4% to 0.6% by weight of iron and / or from 3.6% to 4.5% by weight of magnesium. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Aluminiumlegierung das Gewichtsverhältnis von Eisen zu Mangan höchstens 6:1, bevorzugt das Gewichtsverhältnis von Eisen zu Mangan etwa 4:1 beträgt.Method according to one of the preceding claims, wherein in the aluminum alloy, the weight ratio of iron to manganese is at most 6: 1, preferably the weight ratio of iron to manganese about 4: 1. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aluminiumlegierung einen Phosphorgehalt von weniger als 30 ppm aufweist.A method according to any one of the preceding claims, wherein the aluminum alloy has a phosphorus content of less than 30 ppm. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aluminiumlegierung ferner Aluminium und nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweist.Method according to one of the preceding claims, wherein the aluminum alloy further comprises aluminum and unavoidable impurities. Motorbauteil, insbesondere Kolben für einen Verbrennungsmotor, das zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung besteht, wobei die Aluminiumlegierung die folgenden Legierungselemente aufweist: Silizium: 9 Gew.-% bis 11 Gew.-%, Nickel: 1,7 Gew.-% bis 3,5 Gew.-%, Kupfer: 3,7 Gew.-% bis 5,2 Gew.-%, Magnesium: 1,6 Gew.-% bis 4,5 Gew.-%, Eisen: 0,1 Gew.-% bis 0,7 Gew.-%, Mangan: 0,05 Gew.-% bis 0,2 Gew.-%, Zirkonium: 0,04 Gew.-% bis 0,1 Gew.-%, Vanadium: 0,04 Gew.-% bis 0,1 Gew.-%, Strontium: 150 ppm bis 250 ppm.Engine component, in particular piston for an internal combustion engine, which at least partially consists of an aluminum alloy, wherein the aluminum alloy has the following alloying elements: Silicon: 9% by weight to 11% by weight, nickel: 1.7% by weight to 3.5% by weight, copper: 3.7% by weight to 5.2% by weight, Magnesium: 1.6% by weight to 4.5% by weight, iron: 0.1% by weight to 0.7% by weight, manganese: 0.05% by weight to 0.2% by weight %, Zirconium: 0.04 wt.% To 0.1 wt.%, Vanadium: 0.04 wt.% To 0.1 wt.%, Strontium: 150 ppm to 250 ppm. Motorbauteil nach Anspruch 6, wobei die Aluminiumlegierung 0,4 Gew.-% bis 0,6 Gew.-% Eisen und/oder 3,6 Gew.-% bis 4,5 Gew.-% Magnesium aufweist.An engine component according to claim 6, wherein the aluminum alloy comprises 0.4 wt% to 0.6 wt% iron and / or 3.6 wt% to 4.5 wt% magnesium. Motorbauteil nach einem der Ansprüche 6 und 7, wobei die Aluminiumlegierung einen Phosphorgehalt von weniger als 30 ppm aufweist.Engine component according to one of claims 6 and 7, wherein the aluminum alloy has a phosphorus content of less than 30 ppm. Motorbauteil nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei in der Aluminiumlegierung das Gewichtsverhältnis von Eisen zu Mangan höchstens 6:1, bevorzugt das Gewichtsverhältnis von Eisen zu Mangan etwa 4:1 beträgt.An engine component according to any one of claims 6 to 8, wherein in the aluminum alloy, the weight ratio of iron to manganese is at most 6: 1, preferably the weight ratio of iron to manganese is about 4: 1. Verwendung einer Aluminiumlegierung zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens eines Verbrennungsmotors, wobei die Aluminiumlegierung die folgenden Legierungselemente aufweist: Silizium: 9 Gew.-% bis 11 Gew.-%, Nickel: 1,7 Gew.-% bis 3,5 Gew.-%, Kupfer: 3,7 Gew.-% bis 5,2 Gew.-%, Magnesium: 1,6 Gew.-% bis 4,5 Gew.-%, Eisen: 0,1 Gew.-% bis 0,7 Gew.-%, Mangan: 0,05 Gew.-% bis 0,2 Gew.-%, Zirkonium: 0,04 Gew.-% bis 0,1 Gew.-%, Vanadium: 0,04 Gew.-% bis 0,1 Gew.-%, Strontium: 150 ppm bis 250 ppm.Use of an aluminum alloy for producing an engine component, in particular a piston of an internal combustion engine, wherein the aluminum alloy has the following alloying elements: Silicon: 9% by weight to 11% by weight, Nickel: 1.7% to 3.5% by weight, Copper: from 3.7% to 5.2% by weight, Magnesium: 1.6% to 4.5% by weight, Iron: 0.1% to 0.7% by weight, Manganese: 0.05% to 0.2% by weight, Zirconium: 0.04 wt% to 0.1 wt%, Vanadium: 0.04% to 0.1% by weight, Strontium: 150 ppm to 250 ppm.
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