DE102014224229A1

DE102014224229A1 - Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, Motorbauteil und Verwendung einer Aluminiumlegierung

Info

Publication number: DE102014224229A1
Application number: DE102014224229.0A
Authority: DE
Inventors: Roman Morgenstern; Robert Willard; Scott Kenningley; Matthias Korn; Heinz Werner Höppel; Mathias Göken
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2016-06-02

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, das umfasst, dass eine Aluminiumlegierung abgegossen wird, ein Gussstück abgeschreckt wird und das Gussstück wärmebehandelt wird. Die Aluminiumlegierung weist dabei die folgenden Legierungselemente: bis etwa 25 Gew.-% Silizium (Si), 0,01 bis etwa 5 Gew.-% Hafnium (Hf), 0,01 bis etwa 5 Gew.-% Scandium (Sc), 0,01 bis etwa 5 Gew.-% Zirkonium (Zr) sowie etwa 2 bis etwa 6 Gew.-% Kupfer (Cu), etwa 1,2 bis etwa 3,5 Gew.-% Nickel (Ni), etwa 0,5 bis etwa 1,5 Gew.-% Magnesium (Mg), etwa 0,1 bis etwa 0,7 Gew.-% Eisen (Fe), etwa 0,1 bis etwa 0,4 Gew.-% Mangan (Mn), etwa 0,1 bis 0,3 Gew.-% Vanadium (V), etwa 0,01 bis etwa 0,3 Gew.-% Titan (Ti), etwa 0,003 bis etwa 0,02 Gew.-% Phosphor (P) und als Rest Aluminium (Al) und nicht zu vermeidende Verunreinigungen auf. Weiter weist die Aluminiumlegierung sekundäre Ausscheidungsphasen als binäre Hf-haltige und/oder quaternäre Al-, Sc-, Zr- und Hf-haltige intermetallische Phasen auf. Weiter offenbart die Erfindung eine Motorbauteil, insbesondere einen Kolben für einen Verbrennungsmotor und die Verwendung einer Aluminiumlegierung zur Herstellung einen Motorbauteils.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Motorbauteil, das zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung besteht, und die Verwendung einer Aluminiumlegierung zur Herstellung eines solchen Motorbauteils.
Stand der Technik
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 von 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 sollen, was im Wesentlichen durch immer leistungsfähigere Kolbenwerkstoffe ermöglicht wird.
Grundsätzlich muss ein Kolben für einen Verbrennungsmotor eine hohe Warmfestigkeit aufweisen und dabei gleichzeitig möglichst leicht sein. Es ist daher von besonderer Bedeutung, dass Mechanismen zur Festigkeitssteigerung auch beim Einsatz bei hohen Temperaturen über lange Zeiträume ihre Wirksamkeit nicht einbüßen und damit eine lange Lebensdauer von z.B. Kolben gewährleisten und somit ferner zu einer langen Funktionsdauer eines Verbrennungsmotors beitragen.
Eine entscheidende Rolle spielt dabei u.a. die Matrixfestigkeit der oft eingesetzten ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierungen, die u.a. durch sekundäre Ausscheidung beeinflusst wird. Weit verbreitet ist die Ausscheidungshärtung von Aluminiumlegierungen durch Bildung von Al-Cu, Mg-Si, Al-Cu-Mg-Si Phasen. Obwohl diese Phasen eine signifikante Festigkeitssteigerung der Aluminiumlegierungen bewirken können, ergibt sich das Problem, dass diese Ausscheidungen mit steigender Beanspruchungstemperatur und –zeit durch Diffusionsvorgänge vergröbern. Mit Zunahme der Teilchengrößen geht generell eine Reduzierung festigkeitssteigernder Effekte einher und der Kolben verliert seine optimalen mechanischen Eigenschaften und die Wahrscheinlichkeit eines Bauteilversagens nimmt zu.
Aus diesem Grund ist es wünschenswert, sekundäre Ausscheidungen zu erzeugen, deren Vergröberung kinetisch gehemmt ist und somit während der Betriebsdauer des Kolbens keine signifikante Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften auftritt. Da Ausscheidungen nur wachsen können, wenn Ausscheidungselemente zu ihnen hin diffundieren, besteht ein Ansatz darin, diese Diffusion zu vermindern. Dies kann zum Beispiel durch die Erzeugung von Ausscheidungen mit Elementen, die eine geringe Diffusivität aufweisen, geschehen. Es gilt daher den gesuchten Werkstoff hinsichtlich der Hochtemperaturstabilität seiner sekundären Ausscheidungsphasen zu optimieren, und ferner ein Herstellungsverfahren für einen Kolben vorzusehen, in dessen Verlauf diese Ausscheidungsphasen gebildet werden können.
Hallem et al. (Materials Science and Engineering A 387–389 (2004) 940–943) konnten zum Beispiel feststellen, dass die Zugabe von Hafnium zu Aluminium in der Größenordnung von ca. 1 Gew.-% die Rekristallisationshemmung durch Bildung von u.a. Al₃Hf Ausscheidungen deutlich steigert und somit einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften während Hochtemperaturanwendungen entgegenwirkt.
Der Stand der Technik offenbart, dass Hafnium und auch Zirkonium oft in Aluminium-Silizium-Legierungen zu finden sind, um die mechanischen Eigenschaften für Anwendungen bei hohen Temperaturen zu verbessern.
Zum Beispiel beschreibt die WO 2004/104240 A2 eine hoch- und warmfeste, zähe Aluminiumgusslegierung die 0,03 bis 0,50 Gew.-% Zirkonium und/oder 0,03 bis 1,50 Gew.-% Hafnium enthält und für Werkstücke mit erhöhten thermomechanischen Anforderungen, wie zum Beispiel Zylinderköpfe verwendet werden kann. Die Zugabe von Zr und Hf erfolgt hier zur Verstärkung der Ausscheidungshärtung durch die Bildung von Zr- oder Hf-haltigen Aluminiumsiliziden. Weiter bilden sich hochtemperaturstabile Al₃Zr oder Al₃Hf Phasen.
Die DE 10 2006 059 899 A1 beschreibt eine hochwarmfeste kupferhaltige AlSiMg-Gusslegierung für den Kokillenguss von Motorkernbauteilen, der u.a. 0,03 bis 0,5 Gew.-% Zirkon und/oder 0,03 bis 1,50 Gew.-% Hafnium zugesetzt sind. Dabei wird die Warmfestigkeit der Zr- und Hf-haltigen Aluminiumlegierung durch die Kupferzugabe weiter erhöht.
Die DE 10 2009 036 056 A1 offenbart eine Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung zur Fertigung dickwandiger Druckgussteile die u.a. jeweils 0,08 Gew.-% bis zu 0,3 Gew.-% Zirkonium und/oder Hafnium enthalten kann. Die Zugabe von Zirkonium und Hafnium erfolgt dabei zum Kornfeinen und zur Erhöhung der Festigkeit, Duktilität und Warmbeständigkeit und zur Verbesserung der Gießeigenschaften der Legierung.
Die WO 2011/159169 beschreibt eine gießbare Aluminium-Silizium-Legierung für Hochtemperaturanwendungen für Teile in Verbrennungsmaschinen, wobei die Legierung u.a. 0,025 bis 0,55 Gew.-% Hafnium und optional 0 bis 0,3 Gew.-% Zirkonium enthält. Zirkonium formt dabei zum Beispiel stabförmige AlSiZr Ausscheidungen.
Die Zugabe von Scandium zu Aluminiumlegierungen, z.B. zur Feinung des Gefüges, ist ebenfalls im Stand der Technik beschrieben.
So offenbart zum Beispiel die DE 101 17 298 C1 einen Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine, bestehend aus einer Kolbenlegierung auf Aluminium-Silizium-Basis mit einem Element aus der Gruppe der seltenen Erdmetallen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenlegierung unter Zugabe von bis zu 3 Gew.-% aus einer Mischung von mindestens zwei Elementen der seltenen Erdmetalle gebildet ist, wobei etwa 0,2 Gew.-% Cer und Praseodym zugegeben sind. Vorzugsweise kann die beschriebene Kolbenlegierung zum Beispiel auch 500 ppm bis zu 1 Gew.-% Scandium enthalten. Durch die Zugabe von seltenen Erdmetallen kann das Gefüge gezielt beeinflusst werden. Insbesondere kommt es dabei zur Feinung und homogeneren Verteilung verschiedener Gefügebestandteile.
Die US 2005/0238529 A1 offenbart eine wärmebehandelbare Aluminium-Zink-Legierung, die als Rekristallisationshemmer weniger als 0,2 Gew.-% Zirkonium und/oder weniger als 0,3 Gew.-% Scandium enthalten kann.
In einer weiteren Veröffentlichung haben Hallem et al. (Materials Science and Engineering A 421 (2006) 154–160) zudem festgestellt, dass der gleichzeitige Zusatz der Elemente Hafnium, Scandium und Zirkon zu Aluminium die Rekristallisationshemmung noch weiter steigern kann. Dies wurde mit der Bildung ternärer bzw. quaternärer Al-Hf-Sc-(Zr) Ausscheidungen, die noch stabiler gegenüber thermische bedingter Vergröberung sind, begründet. Die genauere Erklärung dafür ist, dass sich in Folge von Segregationsprozessen eine Zr-, Hf- und Sc-haltige Schale um bereits existente Al₃Sc Ausscheidungen bildet und damit die Vergröberung dieser Phasen über Diffusionshemmung vermindert.
Der gleichzeitige Zusatz u.a. der drei Elemente Zirkonium, Hafnium und Scandium zu einer kohlenstoffhaltigen Aluminium-Silizium-Basislegierung, die durch Gießverfahren verarbeitet wird und besonders zur Herstellung von Kolben und Maschinenteilen für Verbrennungskraftmaschinen geeignet ist, ist in der EP 1 978 120 B1 beschrieben. Hier wirkt sich besonders die Zugabe des Kohlenstoffs in Kombination mit einer Vielzahl anderer Legierungsbestandteile vorteilhaft aus, indem dieser eine erhebliche Feinung und homogene Verteilung intermetallischer Phasen bewirkt.
Darstellung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, mit dem, ein im Hinblick auf die Steigerung der Lebensdauer und Funktionsfähigkeit verbessertes Motorbauteil erzeugt werden kann. Die Lösung dieser Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gegeben. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den diesbezüglichen Unteransprüchen.
Das Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor umfasst, dass eine Aluminiumlegierung abgegossen wird, ein Gussstück abgeschreckt wird und das Gussstück wärmebehandelt wird. Die Aluminiumlegierung weist dabei die folgenden Legierungselemente: bis etwa 25 Gew.-% Silizium (Si), mindestens etwa 0,01, bevorzugt etwa 0,03 und weiter bevorzugt etwa 0,05 Gew.-% bis maximal etwa 5, bevorzugt etwa 3 und weiter bevorzugt etwa 1,5 Gew.-% Hafnium (Hf), mindestens etwa 0,01, bevorzugt etwa 0,03 und weiter bevorzugt etwa 0,05 Gew.-% bis maximal etwa 5, bevorzugt etwa 3 und weiter bevorzugt etwa 1,5 Gew.-% Scandium (Sc), mindestens etwa 0,01, bevorzugt etwa 0,03 und weiter bevorzugt etwa 0,05 Gew.-% bis maximal etwa 5, bevorzugt etwa 3 und weiter bevorzugt etwa 1,5 Gew.-% Zirkonium (Zr) sowie mindestens etwa 2, bevorzugt etwa 3,7 Gew.-% bis maximal etwa 6, bevorzugt < etwa 5 Gew.-% Kupfer (Cu), mindestens etwa 1,2, bevorzugt > etwa 1,85 Gew.-% bis maximal etwa 3,5 Gew.-% Nickel (Ni), mindestens etwa 0,5, bevorzugt etwa 0,6 Gew.-% bis maximal etwa 1,5 Gew.-% Magnesium (Mg), etwa 0,1 bis etwa 0,7 Gew.-% Eisen (Fe), etwa 0,1 bis etwa 0,4 Gew.-% Mangan (Mn), etwa 0,1 bis etwa 0,3 Gew.-% Vanadium (V), etwa 0,01 bis etwa 0,3 Gew.-% Titan (Ti), etwa 0,003 bis etwa 0,02 Gew.-%, bevorzugt etwa 0,004 bis etwa 0,008 Gew.-% Phosphor (P) und als Rest Aluminium (Al) und nicht zu vermeidende Verunreinigungen auf. Weiter weist die Aluminiumlegierung sekundäre Ausscheidungen als binäre Hf-haltige und/oder quaternäre Al-, Sc-, Zr- und Hf-haltige intermetallische Phasen auf.
Es ist ferner bevorzugt, dass die Aluminiumlegierung < 0,0007 Gew.-% Kohlenstoff (C) aufweist und besonders bevorzugt kohlenstofffrei ist.
Das beschriebene Verfahren erweist sich als besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Erzeugung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens, in dessen Grundwerkstoff hochtemperaturstabile sekundäre Phasen gebildet werden. Diese gewährleisten auch bei längerem Betrieb des Kolbens unter hohen Temperaturen die Stabilität der mechanischen Eigenschaften und leisten somit einen Beitrag zur Vermeidung von Bauteilversagen und zur Verlängerung der Funktionsfähigkeit des Verbrennungsmotors insgesamt. Die neben den Bestandteilen Si, Hf, Sc und Zr enthaltenen Legierungselemente bewirken die Entstehung von primären Ausscheidungsphasen, die eine gute Abgießbarkeit und vorteilhafte Hochtemperatureigenschaften des Materials gewährleisten. Die Legierung ist insgesamt besonders zur Herstellung hochbelasteter, langlebiger Motorbauteile, insbesondere Kolben, geeignet.
Die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte: Erstarren, bevorzugt mit einer Erstarrungsrate von etwa 12 K/min, Abschrecken, mit Vorteil mit mindestens etwa 70 K/min und Wärmebehandeln mit Vorteil für etwa 10 min bis etwa 24 h, bevorzugt etwa 4 h bis etwa 8 h bei etwa 200 °C bis etwa 480 °C, bewirken zum Beispiel die Bildung eines übersättigten Mischkristalls. Aus diesem werden anschließend durch die Wärmebehandlung die besonders vorteilhaften sekundären Ausscheidungen in Form der erfindungsgemäßen intermetallischen Phasen erzeugt. Diese Phasen liegen zudem besonders homogen verteilt vor, was ihren festigkeitssteigernden Effekt noch weiter verstärkt.
Neben den Verfahrensschritten stellt das Zulegieren von Hf, Sc und Zr in ihren erfindungsgemäßen Konzentrationsbereichen die Grundlage zur vorteilhaften Bildung hochtemperaturstabiler sekundärer Ausscheidungen dar. Zum einen können sich z.B. binäre Hf-haltige Ausscheidungen des Typs Al-Hf oder des Typs Si2-Hf bilden. Diese zeichnen sich selbst bereits mit Vorteil durch eine geringe inhärente Neigung zur Vergröberung, bedingt durch die geringe Diffusivität des Hafniums, aus. Zum anderen wird dieser positive Effekt weiter durch die Bildung z.B. quaternäre Al-, Sc-, Zr- und Hf-haltiger Phasen der Form Al₃(Sc_xZr_yHf_1-x-y) verstärkt. Mit Vorteil bilden diese Phasen eine Kern-Schale-Struktur aus, bei welcher der Kern z.B. durch festigkeitssteigerndes Al₃Sc gebildet wird. Zu diesem Kern segregieren die Legierungselemente Hafnium, Zirkon und Scandium und bilden in vorteilhafter Weise eine Art Schale, die als Diffusionsbarriere die Vergröberung der Al₃Sc Partikel verlangsamt. Wie bereits beschrieben, ist die signifikante Hemmung bzw. Verlangsamung der Vergröberung von Ausscheidungen der Schlüssel zur Gewährleistung von temperatur- und zeitstabilen mechanischen Eigenschaften und zur Steigerung der Lebensdauer entsprechender Motorbauteile. In Gegenwart von Ti und/oder V in der Aluminiumlegierung können sich bevorzugt ferner quinäre oder senäre Phasen der Form Al₃(Sc_xZr_yHf_zV_wTi_1-x-y-z-w) als weitere temperaturstabile sekundäre Ausscheidungen ausbilden.
Mit Vorteil weist die Aluminiumlegierung insgesamt mindestens etwa 0,02, bevorzugt etwa 0,2, vorzugsweise etwa 0,4 und weiter bevorzugt etwa 0,6 Gew.-% bis maximal etwa 5 Gew.-%, vorzugsweise etwa 2 Gew.-% und weiter bevorzugt etwa 1,5 Gew.-% Zr und/oder Sc und/oder V auf. Der bevorzugte Gehalt ist zum einen besonders geeignet, um die vollständige Löslichkeit und die Bildung eines übersättigten Mischkristalls zu gewährleisten, aus dem dann die Ausscheidungen erzeugt werden können. Zum anderen stellt er sicher, dass genügend Zr und/oder Sc und/oder V vorhanden ist, sodass die sekundäre Ausscheidungsstruktur ausreichend stabilisiert wird und die Bildung unerwünschter grober Primärausscheidungsphasen durch z.B. zu hohe Gehalte vermieden wird. Ferner ergibt sich ein gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis für den Einsatz von Zr, Sc und V.
Weiter weist die Aluminiumlegierung bis zu etwa 0,5 Gew.-% Hf, bevorzugt etwa 0,12 Gew.-% Hf auf. Der bevorzugte Gehalt an Hf bewirkt eine gute Löslichkeit in der Schmelze und stellt eine effiziente Nutzung dieses wertvollen Elements dar.
Vorzugsweise weist die Aluminiumlegierung mindestens etwa 0,1 Gew.-% Si, bevorzugt mindestens etwa 7 Gew.-% Si und insbesondere mindestens etwa 11 Gew.-% Si und weiter bevorzugt höchstens bis zu etwa 15 Gew.-% Si insbesondere höchstens bis zu etwa 13 Gew.-% Si auf. Die angegebenen Si-Gehalte haben sich als besonders vorteilhaft im Hinblick auf Eigenschaften wie Gießbarkeit der Schmelze, Bauteilfestigkeit und Bauteilverschleiß sowie thermische Ausdehnungskoeffizienten erwiesen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Motorbauteil, insbesondere einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, bereitzustellen, das/der hochtemperaturstabile mechanische Eigenschaften aufweist und dabei zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung besteht. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 10 gelöst und weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den diesbezüglichen Unteransprüchen.
Dabei besteht das Motorbauteil, insbesondere ein Kolben für einen Verbrennungsmotor, zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung die folgende Legierungselemente: bis etwa 25 Gew.-% Silizium (Si), mindestens etwa 0,01, bevorzugt etwa 0,03 und weiter bevorzugt etwa 0,05 Gew.-% bis maximal etwa 5, bevorzugt etwa 3 und weiter bevorzugt etwa 1,5 Gew.-% Hafnium (Hf), mindestens etwa 0,01, bevorzugt etwa 0,03 und weiter bevorzugt etwa 0,05 Gew.-% bis maximal etwa 5, bevorzugt etwa 3 und weiter bevorzugt etwa 1,5 Gew.-% Scandium (Sc), mindestens etwa 0,01, bevorzugt etwa 0,03 und weiter bevorzugt etwa 0,05 Gew.-% bis maximal etwa 5, bevorzugt etwa 3 und weiter bevorzugt etwa 1,5 Gew.-% Zirkonium (Zr) sowie mindestens etwa 2, bevorzugt etwa 3,7 Gew.-% bis maximal etwa 6, bevorzugt < etwa 5 Gew.-% Kupfer (Cu), mindestens etwa 1,2, bevorzugt > etwa 1,85 Gew.-% bis maximal etwa 3,5 Gew.-% Nickel (Ni), mindestens etwa 0,5, bevorzugt etwa 0,6 Gew.-% bis maximal etwa 1,5 Gew.-% Magnesium (Mg), etwa 0,1 bis etwa 0,7 Gew.-% Eisen (Fe), etwa 0,1 bis etwa 0,4 Gew.-% Mangan (Mn), etwa 0,1 bis etwa 0,3 Gew.-% Vanadium (V), etwa 0,01 bis etwa 0,3 Gew.-% Titan (Ti), etwa 0,003 bis etwa 0,02 Gew.-%, bevorzugt etwa 0,004 bis etwa 0,008 Gew.-% Phosphor (P) und als Rest Aluminium (Al) und nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweist. Weiter weist die Aluminiumlegierung sekundäre Ausscheidungen als binäre Hf-haltige und/oder quaternäre Al-, Sc-, Zr- und Hf-haltige intermetallische Phasen auf.
Es ist ferner bevorzugt, dass die Aluminiumlegierung < 0,0007 Gew.-% Kohlenstoff (C) aufweist und besonders bevorzugt kohlenstofffrei ist.
Ein weiterer unabhängiger Aspekt der Erfindung liegt in der Verwendung der oben ausgeführten Aluminiumlegierung für die Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens eines Verbrennungsmotors. Dieser Aspekt wird in Anspruch 17 beschrieben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2004/104240 A2 [0008]
DE 102006059899 A1 [0009]
DE 102009036056 A1 [0010]
WO 2011/159169 [0011]
DE 10117298 C1 [0013]
US 2005/0238529 A1 [0014]
EP 1978120 B1 [0016]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Hallem et al. (Materials Science and Engineering A 387–389 (2004) 940–943) [0006]
Hallem et al. (Materials Science and Engineering A 421 (2006) 154–160) [0015]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem eine Aluminiumlegierung abgegossen wird, ein Gussstück abgeschreckt wird, das Gussstück wärmebehandelt wird, und wobei die Aluminiumlegierung die folgenden Legierungselemente: Silizium (Si): bis etwa 25 Gew.-%, Hafnium (Hf): etwa 0,01 bis etwa 5 Gew.-%, Scandium (Sc): etwa 0,01 bis etwa 5 Gew.-%, Zirkonium (Zr): etwa 0,01 bis etwa 5 Gew.-% sowie Kupfer (Cu): etwa 2 bis etwa 6 Gew.-%, Nickel (Ni): etwa 1,2 bis etwa 3,5 Gew.-%, Magnesium (Mg) etwa 0,5 bis etwa 1,5 Gew.-%, Eisen (Fe): etwa 0,1 bis etwa 0,7 Gew.-%, Mangan (Mn): etwa 0,1 bis etwa 0,4 Gew.-%, Vanadium (V): etwa 0,1 bis 0,3 Gew.-%, Titan (Ti): etwa 0,01 bis etwa 0,3 Gew.-%, Phosphor (P): etwa 0,003 bis etwa 0,02 Gew.-% und als Rest Aluminium (Al) und nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweist, und wobei die Aluminiumlegierung weiter sekundäre Ausscheidungen als binäre Hf-haltige und/oder quaternäre Al-, Sc-, Zr- und Hf-haltige intermetallische Phasen aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem eine Erstarrungsrate des Gussstücks mindestens etwa 12 K/min und/oder eine Abschreckgeschwindigkeit des Gussstücks mindestens etwa 70 K/min beträgt.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 2, bei dem das Gussstück für etwa 10 min bis etwa 24 h, bevorzugt etwa 4 h bis etwa 8 h, bei etwa 200 °C bis zu etwa 480 °C wärmebehandelt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Aluminiumlegierung insgesamt mindestens etwa 0,02, bevorzugt etwa 0,2 und weiter bevorzugt etwa 0,4 Gew.-% bis maximal etwa 5, bevorzugt etwa 2 und weiter bevorzugt etwa 1,5 Gew.-% Zr und/oder Sc und/oder V aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Aluminiumlegierung bis zu etwa 0,5 Gew.-% Hf, bevorzugt etwa 0,12 Gew.-% Hf aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Aluminiumlegierung mindestens etwa 0,1 Gew.-% Si, bevorzugt mindestens etwa 7 Gew.-% Si und insbesondere mindestens etwa 11 Gew.-% Si aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Aluminiumlegierung bevorzugt höchstens bis zu etwa 15 Gew.-% Si und insbesondere höchstens bis zu etwa 13 Gew.-% Si aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Al-, Sc-, Zr- und Hf-haltigen Phasen eine Kern-Schale-Struktur aufweisen.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 8, bei dem Al-, Sc-, Zr-, Hf-, Ti- und/oder V-haltige Phasen temperaturstabile intermetallische Ausscheidungsphasen ausbilden.
Motorbauteil, insbesondere Kolben für einen Verbrennungsmotor, das zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung besteht, wobei die Aluminiumlegierung folgenden Legierungselemente: Silizium (Si): bis etwa 25 Gew.-%, Hafnium (Hf): etwa 0,01 bis etwa 5 Gew.-%, Scandium (Sc): etwa 0,01 bis etwa 5 Gew.-%, Zirkonium (Zr): etwa 0,01 bis etwa 5 Gew.-% sowie Kupfer (Cu): etwa 2 bis etwa 6 Gew.-%, Nickel (Ni): etwa 1,2 bis etwa 3,5 Gew.-%, Magnesium (Mg) etwa 0,5 bis etwa 1,5 Gew.-%, Eisen (Fe): etwa 0,1 bis etwa 0,7 Gew.-%, Mangan (Mn): etwa 0,1 bis etwa 0,4 Gew.-%, Vanadium (V): etwa 0,1 bis 0,3 Gew.-%, Titan (Ti): etwa 0,01 bis etwa 0,3 Gew.-%, Phosphor (P): etwa 0,003 bis etwa 0,02 Gew.-% und als Rest Aluminium (Al) und nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweist, und wobei die Aluminiumlegierung weiter sekundäre Ausscheidungen als binäre Hf-haltige und/oder quaternäre Al-, Sc-, Zr- und Hf-haltige intermetallische Phasen aufweist.
Motorbauteil gemäß Anspruch 10, bei dem die Aluminiumlegierung insgesamt mindestens etwa 0,02, bevorzugt etwa 0,2 und weiter bevorzugt etwa 0,4 Gew.-% bis maximal etwa 5 Gew.-%, bevorzugt etwa 2 und weiter bevorzugt etwa 1,5 Gew.-% Zr und/oder Sc und/oder V aufweist.
Motorbauteil gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 10 bis 11, bei dem die Aluminiumlegierung bis zu etwa 0,5 Gew.-% Hf, bevorzugt etwa 0,12 Gew.-% Hf aufweist.
Motorbauteil gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 10 bis 12, bei dem die Aluminiumlegierung mindestens etwa 0,1 Gew.-% Si, bevorzugt mindestens etwa 7 Gew.-% Si und insbesondere mindestens etwa 11 Gew.-% Si aufweist.
Motorbauteil gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 10 bis 13, bei dem die Aluminiumlegierung bevorzugt höchstens bis zu etwa 15 Gew.-% Si und insbesondere höchstens bis zu etwa 13 Gew.-% Si aufweist.
Motorbauteil gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 10 bis 14, bei dem die quaternären Al-, Sc-, Zr- und Hf-haltigen Phasen eine Kern-Schale-Struktur aufweisen. Motorbauteil gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 10 bis 15, bei dem Al-, Sc-, Zr-, Hf-, Ti- und/oder V-haltige Phasen intermetallische Ausscheidungsphasen ausbilden.
Verwendung einer Aluminiumlegierung zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, wobei die Aluminiumlegierung die folgenden Legierungselemente: Silizium (Si): bis etwa 25 Gew.-%, Hafnium (Hf): etwa 0,01 bis etwa 5 Gew.-%, Scandium (Sc): etwa 0,01 bis etwa 5 Gew.-%, Zirkonium (Zr): etwa 0,01 bis etwa 5 Gew.-% sowie Kupfer (Cu): etwa 2 bis etwa 6 Gew.-%, Nickel (Ni): etwa 1,2 bis etwa 3,5 Gew.-%, Magnesium (Mg) etwa 0,5 bis etwa 1,5 Gew.-%, Eisen (Fe): etwa 0,1 bis etwa 0,7 Gew.-%, Mangan (Mn): etwa 0,1 bis etwa 0,4 Gew.-%, Vanadium (V): etwa 0,1 bis 0,3 Gew.-%, Titan (Ti): etwa 0,01 bis etwa 0,3 Gew.-%, Phosphor (P): etwa 0,003 bis etwa 0,02 Gew.-% und als Rest Aluminium (Al) und nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweist, und wobei die Aluminiumlegierung weiter sekundäre Ausscheidungen als binäre Hf-haltige und/oder quaternäre Al-, Sc-, Zr- und Hf-haltige intermetallische Phasen aufweist.