DE102020211653A1

DE102020211653A1 - Aluminiumlegierung, Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils und Motorbauteil

Info

Publication number: DE102020211653A1
Application number: DE102020211653.9A
Authority: DE
Inventors: Roman Morgenstern; Rainer Weiss; Klaus Lades; Andreas Hörauf; Robert Willard; Thomas Kirste
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2020-09-17
Filing date: 2020-09-17
Publication date: 2022-03-17
Also published as: EP4214345A1; US20240068076A1; CN116391058A; JP2023542912A; WO2022058166A1

Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Aluminiumlegierung, insbesondere eine Aluminium-Gusslegierung, ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem eine Aluminiumlegierung im Schwerkraftkokillengussverfahren abgegossen wird sowie ein Motorbauteil, insbesondere einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, zumindest teilweise bestehend aus einer Aluminiumlegierung. Dabei besteht die Aluminiumlegierung aus den folgenden Legierungselementen:

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung, ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils sowie ein Motorbauteil, das zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung besteht.
STAND DER TECHNIK
Getrieben von der ökonomischen und ökologischen Forderung nach verbrauchs- und emissionsoptimierten Transportmitteln ist in den letzten 15 Jahren eine rasante Entwicklung immer leistungsfähigerer und emissionsärmerer Motoren gelungen. Ein entscheidender Schlüssel für diesen kontinuierlichen Fortschritt sind Kolben, die bei immer höheren Verbrennungstemperaturen und -drücken eingesetzt werden können, aber trotzdem ein geringes Gewicht aufweisen. Dies wird im Wesentlichen durch die Entwicklung leistungsfähigerer Kolbenwerkstoffe ermöglicht.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine leichte und trotzdem höchstwarmfeste Aluminiumgusslegierung mit hierauf abgestimmten Gießprozess und Wärmebehandlung zu finden. Hierbei spielt vor allem die mikrostrukturelle Verteilung, Morphologie, Zusammensetzung und thermische Stabilität aller Phasen eine besondere Rolle. Die Optimierung der Mikrostruktur sollte dabei unter Berücksichtigung eines minimalen Gehalts an Poren und oxidischen Einschlüssen vorgenommen werden.
Der gesuchte Kolbenwerkstoff sollte vor allem hinsichtlich seiner Dichte, aber auch bezüglich der isothermen Schwingfestigkeit (High Cycle Fatigue, HCF) und der thermomechanischen Ermüdungsfestigkeit (Thermo Mechanical Fatigue, TMF) optimiert werden. 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, Mikroplastizitäten bzw. Mikrorisse auf, die die Lebensdauer des Kolbenwerkstoffs erheblich senken können. Zur Erhöhung der Lebensdauer ist es daher vorteilhaft, die primären Phasen möglichst klein zu halten. Zusammenfassend sollte, um die TMF-Eigenschaften des Kolbenwerkstoffes zu verbessern, seine feine Mikrostruktur angestrebt werden, die das Potential zur Entstehung von Mikroplastizität bzw. Mikrorissen an relativ großen primären Phasen (vor allem primären Siliziumausscheidungen) verringert und somit die Anfälligkeit gegen Rissinitiierung und -ausbreitung reduziert. Insbesondere soll der Werkstoff ferner einen hohen Widerstand gegen sogenannte Stegbrüche aufweisen.
Die Zugabe von festigkeitssteigernden, aber schweren und teuren Elementen wie z.B. Kupfer und Nickel erhöht vor allem die Dichte des Kolbenwerkstoffes und damit das Gewicht des Kolbens. Hierbei gilt es immer, einen Kompromiss aus Dichte, Festigkeit und Kosten zu finden.
Wie beim Druckguss gibt es jedoch auch beim Schwerkraftkokillenguss 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 (vor allem HCF, aber auch TMF) drastisch absenken.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Kolben in Serie im Schwerkraftkokillenguss hergestellt werden. Grundsätzlich sind ferner das Abschrecken von Kolben in Wasser und das Warmauslagern für mehrere Stunden im Ofen vorbekannt.
Die DE 10 2011 083 969 A1 offenbart in diesem Zusammenhang ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem eine Aluminiumlegierung im Schwerkraftkokillengussverfahren abgegossen wird. Dabei weist die Aluminiumlegierung die folgenden Legierungselemente auf: Silizium: 6 Gew.-% bis 10 Gew.-%, Nickel: 1,2 Gew.-% bis 2 Gew.-%, Kupfer: 8 Gew.-% bis 10 Gew.-%, Magnesium: 0,5 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%, Eisen: 0,1 Gew.-% bis 0,7 Gew.-%, Mangan: 0,1 Gew.-% bis 0,4 Gew.-%, Zirkonium: 0,2 Gew.-% bis 0,4 Gew.-%, Vanadium: 0,1 Gew.-% bis 0,3 Gew.-%, Titan: 0,1 Gew.-% bis 0,5 Gew.-%. Hier werden zur Herstellung der hochwarmfesten Legierung hohe Konzentrationen des kostspieligen Elementes Kupfer benötigt.
In der DE 10 2018 210 007 A1 wird eine Aluminiumlegierung offenbart, die neben Aluminium und nicht zu vermeidende Verunreinigungen die folgenden Legierungselemente aufweist: Silizium: 10 Gew.-% bis < 13 Gew.-%, Nickel: bis zu < 0,6 Gew.-%, Kupfer: 1,5 Gew.-% bis < 3,6 Gew.-%, Magnesium: 0,5 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%, Eisen: 0,1 Gew.-% bis 0,7 Gew.-%, Mangan: 0,1 bis 0,4 Gew.-%, Zirkonium: > 0,1 bis zu < 0,3 Gew.-%, Vanadium: > 0,08 bis < 0,2 Gew.-%, Titan: 0,05 bis < 0,2 Gew.-% und Phosphor: 0,0025 bis 0,008 Gew.-%. Das Gefüge der Legierung weist jedoch nicht die erfindungsgemäß eingeformten Primärausscheidungen auf, die ursächlich für die deutlich verbesserte Stegfestigkeit in den aus einer erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Kolben ist.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in Anbetracht der geschilderten Herausforderungen daher darin, eine Aluminiumlegierung bereitzustellen, die sich im Schwerkraftkokillenguss abgießen lässt, eine geringe Dichte aufweist und trotzdem einen erhöhten Anteil fein verteilter, hochwarmfester, thermisch stabiler Phasen enthält sowie, bevorzugt im thermisch hochbelasteten Muldenrandbereich oder Bodenbereich, Siliziumausscheidungen in vorteilhafter Form aufweist. Ferner hat die vorliegende Erfindung es sich zur Aufgabe gemacht, die Stegfestigkeit von aus der genannten Legierung hergestellten Kolben deutlich zu erhöhen.
Die vorstehend formulierten Ziele werden durch die Legierung nach Anspruch 1 erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen der Legierung ergeben sich aus den entsprechenden Unteransprüchen.

Eine Aluminiumlegierung, insbesondere eine Aluminium-Gusslegierung, welche aus den Legierungselementen

Silizium:	10 Gew.-% bis < 13 Gew.-%,
Nickel:	bis < 0,6 Gew.-%,
Kupfer:	1,5 Gew.-% bis < 3,6 Gew.-%,
Magnesium:	0,5 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%,
Eisen:	0,1 Gew.-% bis 0,7 Gew.-%,
Mangan:	0,1 bis 0,4 Gew.-%,
Zirkonium:	> 0,1 bis < 0,3 Gew.-%,
Vanadium:	> 0,08 bis < 0,2 Gew.-%,
Titan:	0,05 bis < 0,2 Gew.-%,
Phosphor:	0,0025 bis 0,008 Gew.-%,

sowie als Rest aus Aluminium und nicht zu vermeidenden Verunreinigungen besteht, weist besonders günstige Eigenschaften hinsichtlich Warmfestigkeit auf und eignet sich durch die im Vergleich zum Stand der Technik reduzierte Dichte zur Herstellung gewichtsreduzierter und hoch belastbarer Kolben für Verbrennungsmotoren.

Die im Vergleich zum Stand der Technik deutlich verringerten Gehalte an Kupfer und Nickel erniedrigen einerseits in vorteilhafter Weise die Gesamtkosten der Legierungsherstellung, denn sie zählen zu den kostspieligsten Legierungselementen, so dass jede (teilweise) Substitution bzw. Gehaltsreduzierung der beiden Elemente erhebliche Kostenersparnisse einbringt. Andererseits wird dadurch die Dichte des Aluminiumwerkstoffes verringert. Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass aufgrund der optimalen Abstimmung der Legierungselemente Magnesium, Eisen, Mangan, Zirkonium, Vanadium und Titan trotz deutlicher Verringerung der für hohe thermische Belastbarkeit sonst notwendigen Gehalte der Elemente Kupfer und Nickel dennoch eine gute und ausreichende Festigkeit gewährleistet wird. Der erfindungsgemäße Gehalt an Silizium dient dem Erreichen einer guten Gießbarkeit des Aluminiumwerkstoffes.
Ein zentraler Aspekt der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung liegt in der Einrundung beziehungsweise Einformung der Primärausscheidungen im Gefüge. Diese Einformung ist Resultat einer speziell angepassten Wärmebehandlung und führt zu einer signifikant verbesserten Duktilität sowie einer höheren Festigkeit bei niedrigen Temperaturen. Im Ergebnis führt die Verwendung einer solchen Legierung in der Herstellung von Kolben somit zu einer verbesserten Stegfestigkeit. Die erfindungsgemäße Einrundung beziehungsweise Einformung der Primärausscheidungen zeichnet sich dadurch aus, dass die in der Legierung enthaltenen Primärausscheidungen eine durchschnittliche Rundheit von >0,47 aufweisen. Die Rundheit (Circularity) wird dabei in Übereinstimmung mit der folgenden Gleichung bestimmt: $C = (4 π {A/P}^{2})$
Dabei beschreibt C die Rundheit der jeweiligen Ausscheidung, A bezeichnet die Fläche der Ausscheidung und P bezeichnet den Umfang der Ausscheidung.
Die genannte Wärmebehandlung führt darüber hinaus in vorteilhafter Weise auch zu einer Einrundung der intermetallischen Phasen, die bevorzugt eine durchschnittliche Rundheit von >0,44 aufweisen.
Obige erfindungsgemäße Legierung enthält nur die aufgelisteten Bestandteile und unvermeidbare Verunreinigungen d.h. Bestandteile in geringer Konzentration, die nicht bewusst als funktionale Bestandteile zugegeben worden sind. Die erfindungsgemäße Legierung ist insbesondere frei von Beryllium (Be) und/oder Calcium (Ca).
Ferner ist es bevorzugt, dass die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung bzw. Aluminium-Gusslegierung 11,0 bis < 12,5 Silizium und/oder 1,8 bis < 2,6 Gew.-% Kupfer und/oder 0,8 Gew.-% bis 1,2 Gew.-% Magnesium und/oder 0,4 Gew.-% bis 0,6 Gew.-% Eisen enthält. Mit Vorteil weist die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung bzw. Aluminium-Gusslegierung ein Verhältnis aus Eisen und Mangan von 2:1 und bevorzugt zwischen 2:1 und 5:1 auf und/oder eine Summe der Gehalte von Eisen und Mangan, die 0,9 Gew.-% nicht überschreitet, auf. Die genannten Konzentrationsbereiche stellen einen optimalen Kompromiss im Spannungsfeld zwischen den wesentlichen Faktoren Materialeigenschaften, Gewicht/Dichte und Kosten dar.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in dem Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, wobei die vorstehend genannte Aluminiumlegierung im Schwerkraftkokillengussverfahren vergossen wird und das resultierende Gussstück anschließend einer Wärmebehandlung bei 470°C bis 530°C über eine Zeitspanne von 30 Minuten bis 8 Stunden unterzogen wird.
Diese Wärmebehandlung sorgt für die angestrebte Einrundung/Einformung der Primärausscheidungen, die im Ergebnis die verbesserte Duktilität und Festigkeit und schlussendlich auch die verbesserte Stegfestigkeit bei der Herstellung eines Kolbens sicherstellt. Ein besonders vorteilhafter synergistischer Effekt wird dabei durch die Kombination aus der genannten Wärmebehandlung mit den Legierungselementen Titan, Zirkonium und Vanadium in den erfindungsgemäßen Konzentrationen erzielt, da diese Elemente das Netzwerk aus primären Phasen aufrechterhalten und somit zu verbesserten mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen führen.
Besonders vorteilhafte Gefügestrukturen lassen sich dabei bei Temperaturen zwischen 490°C und 515°C, besonders bevorzugt zwischen 505°C und 515°C, und/oder mit Wärmebehandlungsdauern zwischen einer Stunde und drei Stunden erreichen.
Mit Vorteil schließt sich an die Wärmebehandlung, bevorzugt unmittelbar, ein Abschrecken unter die niedrigste Grenze der Auslagerungstemperatur innerhalb einer Zeitspanne von 2 Sekunden bis 2 Minuten an. Die niedrigste Grenze der Auslagerungstemperatur beträgt 160°C.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird nach der Wärmebehandlung, bevorzugt im Anschluss an das Abschrecken, das Gussstück im Temperaturbereich von 160°C bis 250°C für eine Zeitspanne von 3 Stunden bis 20 Stunden ausgelagert. Dieses Auslagern sorgt einerseits für ausreichende thermische Stabilität ohne Kolbenfresser im Motorbetrieb, andererseits aber auch für eine hohe Ausgangshärte und damit Festigkeit in kälteren Regionen des Motorbauteils.
Als besonders vorteilhaft haben sich Auslagerungstemperaturen von 210°C bis 235°C und/oder Auslagerungszeitspannen zwischen 4 Stunden und 15 Stunden, bevorzugt zwischen 8 Stunden und 15 Stunden erwiesen.
Bevorzugt besteht ein erfindungsgemäßes Motorbauteil, insbesondere ein Kolben für einen Verbrennungsmotor, zumindest teilweise aus einer der vorgenannten erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen. Ein derartiges Motorbauteil weist eine verbesserte (Warm-)Festigkeit, Duktilität und Stegfestigkeit auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011083969 A1 [0008]
DE 102018210007 A1 [0009]

Claims

Aluminiumlegierung, insbesondere Aluminium-Gusslegierung, wobei die Aluminiumlegierung aus den folgenden Legierungselementen besteht: Silizium: 10 Gew.-% bis < 13 Gew.-%, Nickel: bis < 0,6 Gew.-%, Kupfer: 1,5 Gew.-% bis < 3,6 Gew.-%, Magnesium: 0,5 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%, Eisen: 0,1 Gew.-% bis 0,7 Gew.-%, Mangan: 0,1 bis 0,4 Gew.-%, Zirkonium: > 0,1 bis < 0,3 Gew.-%, Vanadium: > 0,08 bis < 0,2 Gew.-%, Titan: 0,05 bis < 0,2 Gew.-%, Phosphor: 0,0025 bis 0,008 Gew.-%,

sowie als Rest aus Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefüge der Legierung eingerundete Primärausscheidungen aufweist, die eine durchschnittliche Rundheit von >0,47 aufweisen.
Aluminiumlegierung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese 11 Gew.-% bis < 12,5 Gew.-% Silizium enthält.
Aluminiumlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese 1,8 Gew.-% bis < 2,6 Gew.-% Kupfer enthält.
Aluminiumlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese 0,8 Gew.-% bis 1,2 Gew.-% Magnesium enthält.
Aluminiumlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese 0,4 Gew.-% bis 0,6 Gew.-% Eisen enthält.
Aluminiumlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis aus Eisen und Mangan zwischen 2:1 und 5:1 beträgt.
Aluminiumlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Gehalte von Eisen und Mangan 0,9 Gew.-% nicht überschreitet.
Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumlegierung mit einer chemischen Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 im Schwerkraftkokillengussverfahren vergossen wird und das resultierende Gussstück anschließend einer Wärmebehandlung bei 470°C bis 530°C über eine Zeitspanne von 30 Minuten bis 8 Stunden unterzogen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei 490°C bis 515°C, bevorzugt bei 505°C bis 515°C durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne für die Wärmebehandlung zwischen einer Stunde und 3 Stunden liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussstück im Anschluss an die Wärmebehandlung innerhalb einer Zeitspanne von 2 Sekunden bis 2 Minuten auf eine Temperatur unter 160°C abgeschreckt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Wärmebehandlung, bevorzugt im Anschluss an das Abschrecken, das Gussstück im Temperaturbereich von 160°C bis 250°C für eine Zeitspanne von 3 Stunden bis 20 Stunden ausgelagert wird.
Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslagern bei 210°C bis 235°C durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne für das Auslagern zwischen 4 Stunden und 15 Stunden, bevorzugt zwischen 8 Stunden und 15 Stunden beträgt.
Motorbauteil, insbesondere Kolben für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 besteht.