DE102020108585A1 - Pistons for an internal combustion engine - Google Patents

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Thomas Steffens
Holger Germann
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KS Kolbenschmidt GmbH
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent

Abstract

Kolben für einen Verbrennungsmotor, basierend auf einer Legierung enthaltend mindestens 71 Gew% Aluminium, 10,0 bis 13.5 Gew% Silizium und 0,7 bis 2,5 Gew% Eisen.Piston for an internal combustion engine, based on an alloy containing at least 71% by weight of aluminum, 10.0 to 13.5% by weight of silicon and 0.7 to 2.5% by weight of iron.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor basierend auf einer Aluminium-Legierung mit erhöhtem Eisengehalt.The present invention relates to a piston for an internal combustion engine based on an aluminum alloy with an increased iron content.

Die Herstellung von Kolben für Verbrennungsmotoren aus Aluminium-Legierungen mit Eisen als Legierungsbestandteil ist bekannt und in einer Vielzahl an Publikationen wie DE 10 2007 056 298 A1 oder DE 10 2012 018 934 A1 beschrieben.The production of pistons for internal combustion engines from aluminum alloys with iron as an alloy constituent is known and in a large number of publications such as DE 10 2007 056 298 A1 or DE 10 2012 018 934 A1 described.

Die bekannten Legierungen haben im Einsatz in Verbrennungsmotoren verschiedene Vor- aber auch Nachteile. Nun steigen einerseits die Anforderungen der Gesetzgebung an Kraftstoffverbrauch bzw. CO2 Emission, andererseits aber auch die Anforderungen der Automobilhersteller an Ermüdungsfestigkeit, Verschleißbeständigkeit und Kriechbeständigkeit solcher Kolben.The known alloys have various advantages but also disadvantages when used in internal combustion engines. Now, on the one hand, the requirements of the legislation on fuel consumption and CO 2 emissions are increasing, on the other hand, the requirements of the automobile manufacturers for fatigue resistance, wear resistance and creep resistance of such pistons.

Neben den gestiegenen technischen Anforderungen besteht zudem die Anforderung an ein preiswertes Herstellverfahren der Kolben ohne aufwändige Nachbearbeitungsschritte wie funktionelle Beschichtungen.In addition to the increased technical requirements, there is also the requirement for an inexpensive manufacturing process for the pistons without complex post-processing steps such as functional coatings.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Kolben für einen Verbrennungsmotor, bestehend aus einer Legierung, die diese Aufgaben erfüllt und keine weitere Beschichtung benötigt. Die erfindungsgemäß eingesetzte Legierung enthält mindestens 71 Gew% Aluminium, 10,0 bis 13.5 Gew% Silizium und 0,7 bis 2,5 Gew%, bevorzugt 0,9 bis 1,5 Gew% Eisen.The present invention therefore relates to a piston for an internal combustion engine, consisting of an alloy which fulfills these tasks and does not require any further coating. The alloy used according to the invention contains at least 71% by weight of aluminum, 10.0 to 13.5% by weight of silicon and 0.7 to 2.5% by weight, preferably 0.9 to 1.5% by weight, of iron.

Die Angabe „Gew%“ bezieht sich auf die Summe der Gewichtsanteile Legierungsbestandteile.The specification “wt%” relates to the sum of the weight proportions of the alloy components.

Durch eine geeignete Kombination mit Übergangsmetallen der 4. Periode wie Ti, Vn Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu und Zn kann die Zusammensetzung und Morphologie der Ausscheidungsphase der erfindungsgemäß eingesetzten Legierung beeinflusst werden. Hierdurch können insbesondere Al15(M3Si2)-Phasen (mit M = gleich oder unterschiedlich Fe, Mn, Ni und/oder Cu) gebildet werden die eine optimierte 3-dimensionale Interkonnektivität besitzen.The composition and morphology of the precipitation phase of the alloy used according to the invention can be influenced by a suitable combination with transition metals of the 4th period such as Ti, Vn Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Zn. In this way, in particular Al 15 (M 3 Si 2 ) phases (with M = identical or different Fe, Mn, Ni and / or Cu) can be formed which have an optimized 3-dimensional interconnectivity.

Die Legierung der erfindungsgemäßen Kolben können weitere Bestandteile enthalten, wie eine oder mehrere der Metalle ausgewählt aus der Gruppe 2,0 bis 6,0 Gew%, bevorzugt 2,5 bis 5,0 Gew% Kupfer; 1,0 bis 3,0 Gew%, bevorzugt 1,0 bis 3,0 Gew% Nickel; 0,1 bis 0,3 Gew%, bevorzugt 0,1 bis 0,2 Gew% Zirkonium; 0,1 bis 0,2 Gew%, bevorzugt 0,1 bis 0,2 Gew% Vanadium; 0,1 bis 0,3 Gew%, bevorzugt 0,1 bis 0,2 Gew% Titan; 0 bis 1,2 Gew%, bevorzugt 0 bis 0,4 Gew% Mangan; 0 bis 1,0 Gew%, bevorzugt 0 bis 0,1 Gew% Magnesium; 0 bis 0,2 Gew% Chrom; 0 bis 0,2 Gew% Cobalt und 0 bis 0,5 Gew% Zink.The alloy of the pistons according to the invention can contain further components, such as one or more of the metals selected from the group 2.0 to 6.0% by weight, preferably 2.5 to 5.0% by weight copper; 1.0 to 3.0 wt%, preferably 1.0 to 3.0 wt% nickel; 0.1 to 0.3 wt%, preferably 0.1 to 0.2 wt% zirconium; 0.1 to 0.2 wt%, preferably 0.1 to 0.2 wt% vanadium; 0.1 to 0.3 wt%, preferably 0.1 to 0.2 wt% titanium; 0 to 1.2 wt%, preferably 0 to 0.4 wt% manganese; 0 to 1.0% by weight, preferably 0 to 0.1% by weight, magnesium; 0 to 0.2 wt% chromium; 0 to 0.2 wt% cobalt and 0 to 0.5 wt% zinc.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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  • DE 102007056298 A1 [0002]DE 102007056298 A1 [0002]
  • DE 102012018934 A1 [0002]DE 102012018934 A1 [0002]

Claims (12)

Kolben für einen Verbrennungsmotor, basierend auf einer Legierung enthaltend mindestens 71 Gew% Aluminium, 10,0 bis 13.5 Gew% Silizium und 0,7 bis 2,5 Gew% Eisen.Piston for an internal combustion engine, based on an alloy containing at least 71% by weight of aluminum, 10.0 to 13.5% by weight of silicon and 0.7 to 2.5% by weight of iron. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zusätzlich 2,0 bis 6,0 Gew% Kupfer enthält.Piston after Claim 1 , characterized in that the alloy additionally contains 2.0 to 6.0 wt% copper. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zusätzlich 1,0 bis 3,0 Gew% Nickel enthält.Piston after Claim 1 or 2 , characterized in that the alloy additionally contains 1.0 to 3.0 wt% nickel. Kolben nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zusätzlich 0,1 bis 0,3 Gew% Zirkonium enthält.Piston after Claim 1 , 2 or 3 , characterized in that the alloy additionally contains 0.1 to 0.3% by weight of zirconium. Kolben nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zusätzlich 0,1 bis 0,3 Gew% Vanadium enthält.Piston after Claim 1 , 2 , 3 or 4th , characterized in that the alloy additionally contains 0.1 to 0.3% by weight of vanadium. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zusätzlich 0,1 bis 0,3 Gew% Titan enthält.Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the alloy additionally contains 0.1 to 0.3% by weight of titanium. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zusätzlich 0 bis 1,2 Gew% Mangan enthält.Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the alloy additionally contains 0 to 1.2% by weight of manganese. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zusätzlich 0 bis 1,0 Gew% Magnesium enthält.Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the alloy additionally contains 0 to 1.0% by weight of magnesium. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zusätzlich 0 bis 0,2 Gew% Cobalt enthält.Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the alloy additionally contains 0 to 0.2% by weight of cobalt. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zusätzlich 0 bis 0,2 Gew% Chrom enthält.Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the alloy additionally contains 0 to 0.2% by weight of chromium. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zusätzlich 0 bis 0,5 Gew% Zink enthält.Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the alloy additionally contains 0 to 0.5% by weight of zinc. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, basierend auf einer Legierung enthaltend mindestens 71 Gew% Aluminium, 10,0 bis 13.5 Gew% Silizium und 0,7 bis 2,5 Gew% Eisen durch Kokillenguss.Method for producing a piston for an internal combustion engine, based on an alloy containing at least 71% by weight of aluminum, 10.0 to 13.5% by weight of silicon and 0.7 to 2.5% by weight of iron by permanent mold casting.
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