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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aluminium-Gusslegierung, einen Kolben aus einer Aluminium-Gusslegierung und ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminium-Gusslegierung.
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Stand der Technik
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Aluminium-Silizium-Legierungen werden auf Grund ihrer hervorragenden spezifischen mechanischen Eigenschaften, d. h. hohe Festigkeiten bei gleichzeitig geringem Gewicht, sowie ihrer guten Gießbarkeit für hochbelastete Gussbauteile zum Beispiel in der Automobilindustrie eingesetzt. Für derartige Bauteile müssen maximal mögliche mechanische Eigenschaften, durch Optimierung der Zusammensetzung und der Mikrostruktur, erreicht werden.
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So besteht z. B. die Möglichkeit die Festigkeit einer Legierung durch sog. Korngrenzverfestigung zu erhöhen. Diese bedarf der Erzeugung einer möglichst feinen Kornstruktur (Makrostruktur). Weiter ist es möglich nicht-lösliche, meist keramische Phasen, in dem Werkstoff zu erzeugen oder darin einzubringen, die dann eine Dispersionsverfestigung bewirken. Ein anderer Weg ist z. B. die Ausscheidungshärtung, bei der sich intermetallische Phasen aus einem übersättigten Mischkristall ausscheiden.
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Die Modifikation von Aluminium-Silizium-Legierungen zur Optimierung des Gefüges und der mechanischen Eigenschaften wird ausführlich im Stand der Technik beschrieben. Dazu werden beispielhaft die folgenden Schriften angeführt.
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Die
WO 2006/058388 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer untereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung und die Legierung selbst, die weniger als 12 Gew.-% Silizium aufweist und welcher 20–3000 ppm eines Elementes zum Veredeln des Eutektikums z. B. Sr, Na, Sb, Ba, Ca, Y, Li, K, Yb, Eu und Verbindungen die als Keimbildner dienen und/oder Kristallisationskeime in der Schmelze bilden, wie z. B. TiSix, MnCx, AlP, AlBx und CrBx, wobei x eins oder zwei ist, zugegeben werden.
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Die
EP 1 134 299 B1 offenbart eine Vorlegierung für die Modifizierung und Kornfeinung von untereutektischen und eutektischen Gusslegierungen auf Al-Si-Basis und ein Verfahren zur Herstellung dieser. Dabei werden der Vorlegierung keimbildende und modifizierende Elemente wie 0,5 bis 2,0 Gew.-% Ti und 0,5 bis 2,0 Gew.-% B und 3,0 bis 12,0 Gew.-% Sr zugegeben.
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Die
EP 0 601 972 A1 offenbart eine untereutektische bis naheutektische Aluminium-Silizium-Gusslegierung mit vorzugsweise 5–13 Gew.-% Si, die als Kornfeinungsmittel eine Vorlegierung mit weniger als 2 Gew.-% und mindestens 1 Gew.-% Titan und weniger als 2 Gew.-% und mindestens 1 Gew.-% Bor und als Rest Aluminium enthält und zur Herstellung von Rädern oder Felgen von PKW mittels Niederdruck-Kokillenguss verwendet werden kann.
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In der
EP 0 687 742 B1 ist eine Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung beschrieben, die 9,5 bis 11,5 Gew.-% Silizium und u. a. 30 bis 300 ppm Strontium zur Dauerveredlung des Eutektikums enthält. Weiter werden der Legierung wahlweise 1 bis 250 ppm Phosphor, über GaP und/oder InP, und Ti und B, über eine Aluminium-Vorlegierung mit 1–2 Gew.-% Ti und 1–2 Gew.-% B, zugegeben. Die Legierung ist zum Druckgießen von Sicherheitsbauteilen und Fahrzeugrädern geeignet.
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Die
EP 1 443 122 B1 offenbart eine Aluminiumlegierung zum Druckgießen von Bauteilen mit hoher Dehnung im Gusszustand, die u. a. 8,5 bis 10,5 Gew.-% Silizium aufweist und die zur Veredlung Sr oder Na und/oder Ca und zur Kornfeinung 1 bis 250 ppm Phosphor, zugegeben über GaP und/oder InP, und Ti und B, zugegeben über eine Aluminium-Vorlegierung mit 1–2 Gew.-% Ti und 1–2 Gew.-% B, enthält. Ferner wird die Verwendung dieser Legierung zum Druckgießen von Sicherheitsbauteilen im Automobilbau beschrieben.
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Der Zusatz des Elements Ytterbium zur Modifizierung der Mikrostruktur von Aluminiumlegierungen z. B. zur Dispersionshärtung wird im Stand der Technik wie folgt beschrieben.
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Die
EP 2 112 239 A2 beschreibt eine Aluminium-Magnesium-Basislegierung mit 1 bis 8 Gew.-% Mg und ein Verfahren zur Herstellung dieser, wobei die Legierung u. a. 0,1 bis zu 25 Gew.-% Yb enthalten kann und sekundäre Al
3Sc und Al
3X Phasen mit L1
2-Struktur aufweist, die zur Dispersionshärtung der Legierung beitragen.
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Einen ähnlichen Gegenstand offenbart die
EP 2 112 240 A1 , bei der die Legierung noch 1–10 Gew.-% Ni und keramische Phasen aufweist und wobei der Yb-Anteil 0,1–15 Gew.-% beträgt.
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Die
EP 1 561 831 A2 offenbart eine dispersionsgehärtete, gießbare Aluminiumlegierung mit seltenen Erden und ein Verfahren zur Herstellung dieser, wobei die Legierung z. B. 1,0–20,0 Gew.-% Yb, eine Vielzahl unlöslicher Yb-Partikeln und 0,1–10,0 Gew.-% eines zweiten seltenen Erdenelements aufweisen kann.
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Die
US 7,811,395 B2 beschreibt eine wärmebehandelbare Legierung auf Al-Cu-Basis mit 1,0 bis 8,0 Gew.-% Cu, die 0,1 bis 15,0 Gew.-% Yb enthalten kann, das an der Bildung von sekundären Al
3X Phasen mit L1
2-Struktur beteiligt ist, die zur Dispersionshärtung beitragen. Ähnliches offenbart die
US 7,875,133 B2 , jedoch kann die Legierung auch noch 0,001–0,1 Gew.-% P enthalten.
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Abschließend sei die
DE 101 17 298 C1 genannt, worin die Zugabe von mehreren seltenen Erd-Metallen, darunter auch Ytterbium, zu einer Kolbenlegierung auf Aluminium-Silizium-Basis beschrieben wird. Die Zugabe erfolgt dabei in erster Linie zur Feinung verschiedener Gefügebestandteile und damit zur Verbesserung der Dauerfestigkeit.
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Im Falle von nah- und übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen spielt die Größe des primären Siliziums eine entscheidende Rolle bei der Festigkeitssteigerung, insbesondere bei der Steigerung der thermomechanischen Wechselbeständigkeit. Zu diesem Zweck werden der Legierung Keimbildner zugesetzt. Diese bewirken, dass während des Erstarrungsprozesses eine hohe Zahl geeigneter heterogener Keime in der Schmelze zur Verfügung steht und sich somit eine große Zahl klein bleibender Kristalle bilden kann. Dies kann z. B. durch die Zugabe von P, der mit dem Aluminium heterogene AlP-Keime bildet, erreicht werden. Problematisch bei der Verwendung von P kann dessen Überdosierung sein, die zur Bildung großer, die Festigkeit mindernder AlP-Partikeln führt. Eine Unterdosierung dagegen führt sehr schnell zur Unwirksamkeit, weil dann zu wenige Keime in der Schmelze vorhanden sind, an denen das primäre Silizium auskristallisieren kann. Auch sind Fälle bekannt, bei denen auch bei analytisch ausreichender Menge von Phosphor keine wirksamen Keime nachzuweisen waren. Dies wurde bislang noch nicht weiter wissenschaftlich untersucht. Aus den vorgenannten Gründen wäre es wünschenswert, weitere geeignete Keimbildner zu identifizieren und z. B. in Kombination mit Phosphor der Legierung zuzusetzen, um die Größe des primären Siliziums optimieren zu können.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Bereitstellung einer verbesserten Aluminium-Gusslegierung zu Grunde. Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die Legierung in Anspruch 1 gegeben. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den diesbezüglichen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Aluminium-Gusslegierung ist eine übereutektische Aluminium-Silizium-Basislegierung, die Phosphor (P) von mehr als etwa 30 ppm bis etwa 150 ppm und mindestens etwa 10 ppm bis höchstens etwa 200 ppm Ytterbium (Yb) und weiter feinkristallines primäres Silizium aufweist.
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Die Aluminium-Silizium-Basislegierung weist Phosphor, ferner bevorzugt bis etwa 120 ppm, auf. Phosphor bewirkt durch verbesserte Keimbildung eine Feinung des primären Siliziums, das sich in der erfindungsgemäßen übereutektischen Aluminium-Silizium-Basislegierung bildet. Dabei reagiert der Phosphor zusammen mit dem Aluminium zu Aluminiumphosphid (AlP), das als heterogener Kristallisationskeim für das Silizium dient. Ohne diese AlP-Keime würden nur wenige Keime zur Kristallisation von Silizium in der Schmelze zur Verfügung stehen und dieses in Form großer, polyedrischer Kristalle kristallisieren. Die Wirksamkeit des AlP zur Keimbildung beruht auf der zum Silizium sehr ähnlichen Kristallstruktur. Der bevorzugte Konzentrationsbereich stellt einen optimalen Kompromiss zur Vermeidung einer Überdosierung von Phosphor, bei der sich unerwünschte AlP-Partikeln bilden würden und zur Vermeidung einer Unterdosierung von Phosphor, bei der sich nicht das vorteilhafte feinkristalline Silizium bilden würde, dar.
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Der erfindungsgemäße Gehalt an Ytterbium stellt einen Kompromiss zwischen dessen Wirksamkeit und ökonomischen Erwägungen dar. Ytterbium weist ebenfalls eine gute Übereinstimmung mit der Kristallstruktur des Siliziums auf, so beträgt z. B. die Gitterkonstante des Yb 0,549 nm und die des Siliziums 0,543 nm. Daher kann Ytterbium ebenfalls als Keimbildner für die Kristallisation von primärem Silizium dienen und bewirkt mit Vorteil die Bildung einer sehr feinen Siliziumverteilung. Weiter ist die erfindungsgemäße, gleichzeitige Präsenz von P und Yb vorteilhaft, da jetzt zwei effektive Keimbildner zur Kristallisation von primärem Silizium zur Verfügung stehen. Somit kann z. B. weniger Phosphor zugesetzt werden und die Gefahr einer Überdosierung desselben mit einhergehender Bildung großer, harter AlP-Partikeln wird deutlich verringert. Eine Zugabe von Ytterbium über den erfindungsgemäßen Gehalt hinaus erscheint insbesondere ökonomisch wenig sinnvoll.
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Insgesamt erlaubt die Anwesenheit von P und Yb die Optimierung und bessere Kontrolle der Feinung von primärem Silizium als dies bisher der Fall war. Die Mikrostruktur mit kleinem, fein verteiltem Silizium wirkt sich besonders positiv auf die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs aus. So bewirkt das im Mittel kleinere Silizium eine verringerte Grenzfläche zwischen dieser Phase und der umgebenden Aluminium-Matrix. Dies führt dort zu verringerten, hauptsächlich thermisch induzierten Spannungen, die normalerweise wegen der großen Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten wirksam sind und erhöht somit vorteilhaft die thermomechanische Festigkeit des Werkstoffs und die Belastbarkeit der daraus hergestellten Bauteile, z. B. Kolben von Verbrennungskraftmaschinen. Abschließend soll herausgestellt werden, dass das Ytterbium in der vorliegenden Erfindung als Keimbildner für das primäre Silizium, zum Beispiel komplementär zum Phosphor, in der erfindungsgemäßen Legierung vorhanden ist. Damit grenzt sich die vorliegende Erfindung klar vom Stand der Technik ab, der die Anwesenheit von Ytterbium hauptsächlich zur Dispersionshärtung und vereinzelt zur Veredlung des Eutektikums lehrt.
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Bevorzugt weist die Aluminium-Silizium-Basislegierung weniger als etwa 20 ppm Ytterbium auf. Für diesen Konzentrationsbereich werden gute mechanische Eigenschaften erwartet und zudem ist die verringerte Zugabe von Ytterbium besonders kostengünstig.
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Mit Vorteil weist die Aluminium-Silizium-Basislegierung einen Siliziumgehalt von mehr als etwa 10 Gew.-% bis weniger als etwa 16 Gew.-% auf.
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Die erfindungsgemäße Aluminium-Silizium-Basislegierung weist mit Vorteil die Elemente Kalzium, Kalium, Natrium, Strontium und Antimon nicht oder höchstens in Mengen nicht zu vermeidender Verunreinigungen auf. Als Verunreinigungskonzentration können dabei Gehalte von weniger als z. B. jeweils etwa 0.05 Gew.-% verstanden werden. Ferner weist die erfindungsgemäße Legierung in vorteilhafter Weise unveredeltes Eutektikum auf. Die Abwesenheit bzw. der sehr geringe Gehalt der aufgeführten Elemente gewährleistet, dass das Eutektikum in nicht-modifizierter Form, d. h. unveredelt vorliegt, z. B. mit lamellarer Struktur. Insbesondere für die Anwendung der erfindungsgemäßen Legierung für hochbelastete Motorbauteile, wie zum Beispiel Kolben, ist eine strukturelle Modifikation des Eutektikums nicht erwünscht. Das Vorhandensein des unveredelten Eutektikums hat positive Effekte auf die mechanischen Eigenschaften der Bauteile. Zudem werden mit der Begrenzung des Gehalts der oben genannten Elemente auch zahlreiche prozesstechnische Probleme vermieden, wie zum Beispiel ein hoher Gasgehalt in der Schmelze, Porenbildung im Gussstück oder verlängerte Abstehzeiten.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kolben, der aus der erfindungsgemäßen Aluminium-Gusslegierung gebildet ist, bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 7 gelöst.
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Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer verbesserten Aluminium-Gusslegierung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 8 gelöst, dabei finden die bevorzugten Merkmale der erfindungsgemäßen Aluminium-Gusslegierung Anwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren und umgekehrt.