DE102015200632A1

DE102015200632A1 - Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, Motorbauteil und Verwendung eines Kornfeiners zur Herstellung eines Motorbauteils

Info

Publication number: DE102015200632A1
Application number: DE102015200632.8A
Authority: DE
Inventors: Roman Morgenstern; Isabella Sobota; Rainer Weiss
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2015-01-16
Filing date: 2015-01-16
Publication date: 2016-07-21

Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem eine Aluminium-Silizium-Gusslegierung mit Kornfeiner geimpft wird, wobei der Kornfeiner Niob enthält, ein Motorbauteil, insbesondere einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, zumindest teilweise hegestellt nach einem Verfahren bei dem eine Aluminium-Silizium-Gusslegierung mit Kornfeiner geimpft wird, wobei der Kornfeiner Niob enthält, und die Verwendung eines Kornfeiners zum Impfen einer Aluminium-Silizium-Gusslegierung, wobei der Kornfeiner Niob enthält.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem eine Aluminium-Silizium-Gusslegierung mit Kornfeiner geimpft wird, wobei der Kornfeiner Niob enthält, ein Motorbauteil, insbesondere einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, zumindest teilweise hegestellt nach einem Verfahren bei dem eine Aluminium-Silizium-Gusslegierung mit Kornfeiner geimpft wird, wobei der Kornfeiner Niob enthält, und die Verwendung eines Kornfeiners zum Impfen einer Aluminium-Silizium-Gusslegierung, wobei der Kornfeiner Niob enthält.
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 seit 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.
Grundsätzlich muss ein Kolben für einen Verbrennungsmotor eine hohe Festigkeit aufweisen und dabei gleichzeitig möglichst leicht sein. Diesbezüglich günstige mechanische Eigenschaften bei hohen Betriebstemperaturen weisen dabei insbesondere Aluminium-Silizium-Gusslegierungen auf.
Die Lebensdauer von Kolben in Verbrennungsmotoren wird beeinflusst durch die Haltbarkeit der am höchsten belasteten Bereiche der Kolben, namentlich des Muldenrandes und der Bolzenbohrung. Einen besonderen Einfluss hat hier die Korngröße des Gefüges in diesen Bereichen. So ist ein typisches Schadbild in der Bolzenbohrung der sogenannte Schrägbruch, auch „slant fracture“ genannt. Dabei entstehen und wachsen Risse in einem Winkel von 45° zur Hauptspannungsebene entlang während der Erstarrung gebildeter Dendriten. Je länger die Dendriten sind, das heißt je größer die Korngröße, desto höher ist entsprechend das Schadensrisiko, insbesondere bei Beanspruchungstemperaturen unter 300°C. Nach vergleichbarem Schema sind ebenso Schadensfälle an LKW-Kolben im Bereich des Kühlkanals beobachtet worden.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, die Korngröße in Legierungen durch Zugabe von Kornfeinern zu verringern, um damit das Auftreten von mit einer großen Korngröße assoziierten Schadensfällen zu reduzieren. Durch signifikante Erhöhung der Anzahl an potentiellen Kristallisationskeimen während der Erstarrung stellt sich hierbei ein feinkörniges Gefüge ein.
So offenbart DE 103 529 32 A1 eine Aluminiumlegierung, die zumindest aus 1,0–8,0 Gew.-% Magnesium (Mg), > 1,0–4,0 Gew.-% Silizium (Si), 0,01–< 0,5 Gew.-% Scandium (Sc), 0,005–0,2 Gew.-% Titan (Ti), 0–0,5 Gew.-% eines Elementes oder einer Elementengruppe ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zirkon (Zr), Hafnium (Hf), Molybdän (Mo), Terbium (Tb), Niob (Nb), Gadolinium (Gd), Erbium (Er) und Vanadium (V), 0–0,8 Gew.-% Mangan (Mn), 0–0,3 Gew.-% Chrom (Cr), 0–1,0 Gew.-% Kupfer (Cu), 0–0,1 Gew.-% Zink (Zn), 0–0,6 Gew.-% Eisen (Fe), 0–0,004 Gew.-% Beryllium (Be), Rest Aluminium und weiteren Verunreinigungen mit einzeln max. 0,1 Gew.-% und insgesamt max. 0,5 Gew.-% besteht. Die Zugabe des kostspieligen Elementes Scandium soll hierbei eine Kornfeinung bewirken.
EP 1 111 079 A1 betrifft eine Aluminiumlegierung in der eine Vielzahl von Legierungselementen, darunter Niob, übersättigt in Lösung gebracht werden soll. Entsprechend werden bei der Temperaturbehandlung nach der Erstarrung fein verteilte Dispersoide im Gefüge gebildet, die jedoch eine Verfestigung statt einer Kornfeinung bewirken sollen.
Die DE 10 2005 047 037 A1 offenbart eine Aluminiumlegierung mit < 2,0 Gew.-% Silizium, der ein Gemisch der Elemente Bor, Ce, Sr, Sc, Mg, Nb oder Zr zulegiert wird, wodurch eine Erhöhung der Keimanzahl bzw. -dichte während der Primärkristallisation des Aluminiums bewirkt wird.
Romankiewicz et al. schlagen die Nutzung von AlB anstatt der konventionellen AlTiB-Vorlegierung zur Kornfeinung von hochsiliziumhaltigen Aluminiumlegierungen vor und finden, dass Bor eine Feinung des Gußgefüges einer AlSi11-Legierung verursacht (Romankiewicz, F.; Romankiewicz, R.: Kornfeinung und Veredelung von AlSi11-Legierungen, TU Zielona Góra).
Bekannt ist zudem die Zugabe von Titan oder Aluminium-Titan-Bor-Vorlegierungen zu einer Aluminiumschmelze zum Zweck der Kornfeinung. Aufgrund immer höherer Erstarrungsgeschwindigkeiten, unter anderem bedingt durch verbesserte Kokillenkühlungen und die Nutzung von temperiertem Kühlwasser während der Erstarrung, lassen sich mit den konventionellen Verfahren zur Kornfeinung jedoch keine zufriedenstellenden Ergebnisse mehr erzielen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, mit verringerter Schadensanfälligkeit zur Verfügung zu stellen.
Die Lösung dieser Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den diesbezüglichen Unteransprüchen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 führt dabei zu einem Motorbauteil mit verringerter Schadensanfälligkeit, da es ein äußerst feinkörnigeres Gefüge aufweist, so dass Schadensfälle wie slant fractures deutlich seltener auftreten. Die erfindungsgemäße Zugabe eines niobhaltigen Kornfeiners zu einer Aluminium-Silizium-Gusslegierung führt dabei erfindungsgemäß zu einer Vielzahl von Kristallisationskeimen bei der Erstarrung des Gussteils.
Weiterhin ist die Gitterkonstante der entstehenden Keime im Vergleich zum konventionellen Verfahren mit Ti- oder Al-Ti-B-Vorlegierungen als Kornfeiner deutlich besser kompatibel zu den sich bei der Erstarrung bildenden Alpha-Aluminiumkörnern, so dass die Kristallisationskeime deutlich effizienter genutzt werden.
Es wurde ferner überraschenderweise festgestellt, dass das Legierungselement Silizium durch das Element Niob nicht „vergiftet“ wird, das heißt es werden kaum Nb-Si-Phasen gebildet. Gemäß dem konventionellen Verfahren bilden sich demgegenüber bei der Zugabe von Titan oder Aluminium-Titan-Bor-Vorlegierungen TiSi- oder Ti₅Si₃-Phasen, so dass die Effektivität des Elementes als Kornfeiner deutlich herabgesetzt wird. Dieser Effekt zeigt sich deutlich ab Siliziumkonzentrationen > 2,0 Gew.-% und gilt insbesondere für Aluminiumlegierungen mit einer Siliziumkonzentration > 4,0 Gew.-%.
Mit Vorteil weist die im erfindungsgemäßen Verfahren vergossene Aluminium-Silizium-Gusslegierung eine Siliziumkonzentration bis 14,5 Gew.-%, bevorzugt bis 12,8 Gew.-%, besonders bevorzugt bis < 11,0 Gew.-% auf, da hierdurch das Auftreten großer Primär-Silizium-Phasen verhindert werden kann.
Bevorzugt enthält und/oder bildet der Kornfeiner Niobboride, besonders bevorzugt NbB₂, da diese besonders effiziente Keimstellen darstellen.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren enthält und/oder bildet der Kornfeiner gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung Niobaluminide, bevorzugt Al₃Nb, da diese effiziente Keimstellen darstellen.
Mit Vorteil wird der Kornfeiner gemäß einer erfindungsgemäßen Variante in Form einer Vorlegierung, bevorzugt einer Aluminium-Niob- und/oder einer Aluminium-Niob-Bor-Vorlegierung, bereitgestellt. Hierdurch kann die Chargiermenge einfach kontrolliert werden.
Bevorzugt enthält eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Aluminium-Silizium-Gusslegierung < 0,5 Gew.-%, besonders bevorzugt < 0,2 Gew.-% Niob. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass sich ein optimaler Effekt als Kornfeiner einstellt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kornfeiner mittels Einspulen eines Drahtes der Schmelze zugeführt. Dies erlaubt eine einfache Chargierung des Kornfeiners und stellt sicher, dass der Effekt des Kornfeiners tatsächlich in der Schmelze zum Tragen kommt.
Bevorzugt besteht ein Motorbauteil, insbesondere ein Kolben für einen Verbrennungsmotor, zumindest teilweise aus einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Aluminium-Silizium-Gusslegierung. Ein derartiges erfindungsgemäßes Motorbauteil weist eine aufgrund des feinen Gefüges eine niedrige Schadensanfälligkeit auf.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in der bevorzugten Verwendung eines niobhaltigen Kornfeiners für die Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens eines Verbrennungsmotors.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10352932 A1 [0006]
EP 1111079 A1 [0007]
DE 102005047037 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils im Gussverfahren, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminium-Silizium-Gusslegierung mit Kornfeiner geimpft wird, wobei der Kornfeiner Niob enthält und wobei die Aluminium-Silizium-Gusslegierung eine Siliziumkonzentration > 2,0 Gew.-%, bevorzugt > 4,0 Gew.-%, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminium-Silizium-Gusslegierung eine Siliziumkonzentration bis 14,5 Gew.-%, bevorzugt bis 12,8 Gew.-%, besonders bevorzugt bis < 11,0 Gew.-% aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kornfeiner Niobboride, bevorzugt NbB₂, enthält und/oder bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kornfeiner Niobaluminide, bevorzugt Al₃Nb, enthält und/oder bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kornfeiner über eine Vorlegierung, bevorzugt eine Aluminium-Niob- und/oder eine Aluminium-Niob-Bor-Vorlegierung, in die Aluminium-Silizium-Gusslegierung eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Niobkonzentration bezogen auf die Aluminium-Silizium-Gusslegierung < 0,5 Gew.-%, besonders bevorzugt < 0,2 Gew.-% Niob beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kornfeiner durch das Einspulen von Draht und/oder während der Formfüllung und/oder direkt in die Schmelze eingebracht wird.
Motorbauteil, insbesondere Kolben für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest teilweise nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt wird.
Verwendung eines Kornfeiners zum Impfen einer Aluminium-Silizium-Gusslegierung, dadurch gekennzeichnet, dass der Kornfeiner gemäß einem der Verfahren in den Ansprüchen 1 bis 7 verwendet wird.