DE10206035A1

DE10206035A1 - Aluminum-based alloy used in the production of a piston for use in an internal combustion engine contains alloying additions of silicon, magnesium, vanadium and beryllium

Info

Publication number: DE10206035A1
Application number: DE10206035A
Authority: DE
Inventors: Herbert Moeding; Thomas Steffens; Otto Stenzel
Original assignee: KS Aluminium Technologie GmbH; KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH; KS Huayu Alutech GmbH
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2002-02-14
Publication date: 2003-08-28
Also published as: EP1340827B1; EP1340827A1; DE50300161D1

Abstract

Casting alloy comprises (in wt.%) 7-25 silicon, 0.1-1.2 magnesium, 0.01-0.2 vanadium, 0.0005-0.01 beryllium, at most 1.2 iron, at most 5.5 copper, at most 1.2 manganese, at most 4 nickel, at most 2.5 zinc, at most 0.2 lead, at most 0.2 titanium, at most 0.1 other impurities, and a balance of aluminum. Preferred Features: The alloy contains (in wt.%) 0.05-1.2, especially 0.1-1.2 vanadium, 0.005-0.0035 beryllium, less than 1 magnesium, and not more than 10 ppm calcium.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aluminium-Silizium-Gusslegierung mit 7-25 Gew.-% Silizium und mit einem geringen Magnesium- Anteil von 0,1-1,2 Gew.-%. The invention relates to an aluminum-silicon cast alloy with 7-25% by weight silicon and with a low magnesium Proportion of 0.1-1.2% by weight.

Aus EP 0 967 294 A1 sind Aluminium-Magnesium-Gusslegierungen mit wenigstens 2,5 Gew.-%, vorzugsweise wenigstens 3,5 Gew.-% Magnesium und höchstens 2,5 Gew.-% Silizium bekannt. Bei diesen Aluminium-Magnesium-Legierungen mit hohem Magnesiumgehalt, der bei allen Ausführungsbeispielen über 5 Gew.-% liegt, kommt es an der Oberfläche der Metallschmelze nicht zur Ausbildung einer schützenden dünnen Aluminiumoxidhaut, welche den Sauerstoffeintritt in die Schmelze verhindert, sondern es baut sich eine dicke poröse Schicht, die sog. Krätze, auf, bei der es sich um eine Verbindung zweier Oxide, ein sog. Spinell, handelt, welches gebildet ist aus dem Oxid des Magnesiums (MgO) und Aluminiumoxid (Al₂O₃). Obschon diese Krätze sehr viel dicker ist als eine das Schmelzenbad schützende Aluminiumoxidhaut, ist sie porös und bleibt für den Eintritt und Durchtritt von Sauerstoff zur Schmelze durchlässig. Wenn ein solches Bad über längere Zeit steht, bspw. an Wochenenden, so können sogar Brocken dieser Krätze auf den Boden des Ofens absinken, so dass noch mehr Sauerstoff zur Oberfläche gelangen und mit Magnesium reagieren und zur weiteren Bildung einer Spinellschicht beitragen kann. Doch auch im Gießbetrieb muss die Ofenoberfläche fortlaufend von der Krätze befreit werden, womit ein Austrag von wertvoller Aluminiumschmelze und damit ein Kostennachteil verbunden ist. From EP 0 967 294 A1, aluminum-magnesium cast alloys with at least 2.5% by weight, preferably at least 3.5% by weight of magnesium and at most 2.5% by weight of silicon are known. In the case of these aluminum-magnesium alloys with a high magnesium content, which is above 5% by weight in all of the exemplary embodiments, a protective thin aluminum oxide skin does not form on the surface of the metal melt, which prevents the entry of oxygen into the melt, but builds up a thick porous layer, the so-called dross, which is a compound of two oxides, a so-called spinel, which is formed from the oxide of magnesium (MgO) and aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ). Although this dross is much thicker than an aluminum oxide skin protecting the melt bath, it is porous and remains permeable to the entry and passage of oxygen to the melt. If such a bath remains for a long time, for example on weekends, even chunks of these dross can sink to the bottom of the furnace, so that even more oxygen can reach the surface and react with magnesium and contribute to the further formation of a spinel layer. But even in the foundry, the surface of the furnace has to be continuously freed of dross, which means that valuable aluminum melt is removed and there is a cost disadvantage.

Die Ausbildung der Krätze wurde bei derartigen Aluminium- Magnesium-Legierungen seit jeher durch Zusatz von Beryllium reduziert, man sprach von einer Erhöhung des Verkrätzungswiderstands. Mit EP 0 967 294 A1 wurde erkannt, dass durch Zusatz von Vanadium geringere Mengen von Beryllium zugesetzt werden mussten, also der Verkrätzungswiderstand durch geringere Beigaben an Beryllium erhöht werden konnte. The formation of the scabies was in such aluminum Magnesium alloys have always been made with the addition of beryllium reduced, one spoke of an increase in Verkrätzungswiderstands. EP 0 967 294 A1 recognized that by adding vanadium lower amounts of beryllium had to be added, i.e. the resistance to scratching could be increased by adding less beryllium.

Die vorliegende Erfindung befasst sich hingegen mit Aluminium- Silizium-Legierungen mit demgegenüber sehr geringem Magnesiumgehalt von nur 0,1-1,2 Gew.-%. Obschon Magnesium mit Silizium die Phase Mg₂Si ausbildet, wodurch die Festigkeit eines aus einer solchen Legierung vergossenen Gussstücks erhöht werden kann, wurde festgestellt, dass die Oxidhaut an der Oberfläche der Schmelze MgO enthält. The present invention, on the other hand, deals with aluminum-silicon alloys with a very low magnesium content of only 0.1-1.2% by weight. Although magnesium with silicon forms the Mg ₂ Si phase, which can increase the strength of a casting cast from such an alloy, it was found that the oxide skin on the surface of the melt contains MgO.

Die Oxidhaut wirkt sich auf die Fließfähigkeit dieser Aluminium-Silizium-Legierung negativ aus, da die Oxidhäute beim Vergießen zerreissen und dabei einfalten und auch ständig neu gebildet werden. Dies führt zu Einschlüssen im Gußstück, die die Festigkeit beeinträchtigen. Außerdem tritt beim Vegießen ein hoher Verschleiß der Schlichte an den Gießformen auf, was zu einer Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit der mit Schlichte versehenen Gießformoberflächen führt und ferner dazu, dass der Schlichteauftrag bei den Gießformen häufig erneuert werden muß. The oxide skin affects the fluidity of this Aluminum-silicon alloy negative because of the oxide skins tearing while potting and folding in the process and also constantly be newly formed. This leads to inclusions in the casting, that affect strength. Also occurs when Pour a lot of wear on the size of the molds on what leads to an increase in the surface roughness of the Plain provided mold surfaces leads and further to the fact that the size application is common with the casting molds must be renewed.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ausgehend von einer gattungsgemäßen Aluminium-Silizium- Gusslegierung die Fließfähigkeit zu verbessern und den Schlichteveschleiß zu reduzieren. The present invention is based on the object based on a generic aluminum-silicon Cast alloy to improve the flowability and the Reduce finishing wear.

Diese Aufgabe wird durch eine gattungsgemäße Aluminium- Silizium-Legierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. This task is performed by a generic aluminum Silicon alloy with the features of claim 1 solved.

Es wurde erfindungsgemäß festgestellt, dass durch die Zugabe von 0,01-0,2 Gew.-% Vanadium und 0,0005-0,01 Gew.-% Beryllium (5-100 ppm) das Oxidationsverhalten der Legierung dahingehend geändert wird, dass die Oxidschicht von einer fast stöchiometrisch reinen MgO-Schicht gebildet wird, die sich im Gegensatz zu Al₂O₃-haltigen Oxidhäuten dünner ausbildet und dadurch die Fließfähigkeit der Legierung weniger behindert. Es wird eine sehr dünne sauerstoffhaltige Haut gebildet. Die Legierung zeigt beim Vergießen ein gutes Kurzzeitoxidationsverhalten. Dies bedeutet, dass beim Vergießen zwar die Oxidhaut auch zerreißt, jedoch nicht sofort wieder neu gebildet wird, da die Spurenelemente erst wieder durch Diffusion an die Oberfläche gelangen müssen. Beim Befüllen kann daher der Meniskus in der Gießform fortschreiten, und auch dünne Wandbereiche können ohne Oxidhauteinschlüsse gegossen werden. Der Schlichteverschleiß ist ebenfalls erheblich herabgesetzt. It was found according to the invention that the addition of 0.01-0.2% by weight of vanadium and 0.0005-0.01% by weight of beryllium (5-100 ppm) changes the oxidation behavior of the alloy so that the oxide layer is formed by an almost stoichiometrically pure MgO layer, which, in contrast to Al ₂ O ₃ -containing oxide skins, is thinner and thus less impedes the flowability of the alloy. A very thin, oxygen-containing skin is formed. The alloy shows good short-term oxidation behavior during casting. This means that the oxide skin tears when potted, but is not immediately formed again, since the trace elements only have to reach the surface again by diffusion. When filling, the meniscus can therefore advance in the mold, and thin wall areas can also be cast without oxide skin inclusions. The wear on the size is also considerably reduced.

Die bei der erfindungsgemäßen Legierung gebildete Oxidhaut zeichnet sich nicht nur durch Ausbildung eines schützenden sauerstoffundurchlässigen Abschlusses aus, sondern sie ist auch sehr viel dünner. Man fand daher beim Vergießen der erfindungsgemäß ausgebildeten Aluminium-Silizium-Legierung im Anguss überraschenderweise keinen Niederschlag von dicken Oxidhäuten, die von Zeit zu Zeit in aufwendiger Handarbeit entfernt werden mussten. The oxide skin formed in the alloy according to the invention is not only characterized by training a protective oxygen-impermeable closure, but it is also much thinner. It was therefore found when shedding the aluminum-silicon alloy in accordance with the invention Sprue surprisingly no precipitation of thick Oxide skins, from time to time in elaborate manual work had to be removed.

Es hat sich desweiteren als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Legierung einen gegenüber üblichen Legierungen geringen Calcium-Gehalt aufweist. Üblicherweise liegt der Ca- Gehalt bei etwa 30 ppm. Wenn der Ca-Gehalt unterhalb von etwa 15 ppm, vorzugsweise unterhalb von 10 ppm liegt, so wurde festgestellt, dass dies zu einer weniger porösen Oxidhaut mit einer erhöhten Gas-Dichtigkeit führt. It has also proven to be particularly advantageous if the alloy is different from conventional alloys has low calcium content. Usually, the CA Content at around 30 ppm. If the Ca content is below about 15 ppm, preferably below 10 ppm, was so found that this resulted in a less porous oxide skin leads to increased gas tightness.

Bevorzugte Ausführungsformen der Gusslegierung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Preferred embodiments of the cast alloy result from the subclaims.

Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine, hergestellt aus einer Aluminium- Silizium-Gusslegierung nach einem oder mehreren der Patentansprüche, mit einem Kupfergehalt der Schmelze bzw. des Kolbens von 1,0-5,5 Gew.-%, vorzugsweise von 3-4,5 Gew.-% und einem Siliziumgehalt von 10-15 Gew.-%. Durch den Kupfergehalt im angegebenen Bereich erhöht sich die mechanische Festigkeit des Kolbens zusätzlich zur Ausbildung von Mg₂Si. Bei der Herstellung von Kolben liegt der Magnesiumgehalt der Schmelze zwischen 0,5 und 1,1, insbesondere zwischen 0,8 und 1,1 Gew.-%. Furthermore, the invention relates to a piston for an internal combustion engine, made from an aluminum-silicon cast alloy according to one or more of the claims, with a copper content of the melt or the piston of 1.0-5.5% by weight, preferably of 3-4.5% by weight and a silicon content of 10-15% by weight. The copper content in the specified range increases the mechanical strength of the piston in addition to the formation of Mg ₂ Si. In the manufacture of pistons, the magnesium content of the melt is between 0.5 and 1.1, in particular between 0.8 and 1.1% by weight.

Die erfindungsgemäße Aluminium-Silizium-Gusslegierung eignet sich aber auch zum Vergießen von Gussstücken mit einem sehr geringen Kupfergehalt, vorzugsweise eines kupferfreien Gussstücks. Insbesondere Gussstücke zur Verwendung als Fahrwerksteile, die gegenüber Kolben höhere Dehnungsfähigkeit aufweisen müssen, werden mit einem Magnesiumgehalt von nur 0,2-0,6 Gew.-% vergossen. Durch diesen noch geringeren Magnesiumgehalt wird das Gussstück zwar weniger fest, aber damit auch weniger spröde und somit dehnfähig. The aluminum-silicon cast alloy according to the invention is suitable but also for casting castings with a very low copper content, preferably a copper-free one Casting. In particular castings for use as Chassis parts that have higher stretchability than pistons must have a magnesium content of only 0.2-0.6 wt .-% cast. By this even less Magnesium content makes the casting less firm, however therefore less brittle and therefore stretchy.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und aus der beiliegenden zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung von Schliffbildern. In der Zeichnung zeigt: Further features, details and advantages of the invention result from the patent claims and from the enclosed graphic representation and subsequent description of Micrographs. The drawing shows:

Fig. 1 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Oxidhaut im Schliff; Fig. 1 is a scanning electron micrograph of an oxide layer in the cut;

Fig. 2 eine entsprechende Aufnahme unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Gusslegierung. Fig. 2 shows a corresponding recording using a cast alloy according to the invention.

Fig. 1 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer in einer Harzumhüllung 2 präparierten Oxidhaut 4 einer Aluminium-Silizium-Legierung mit 13 Gew.-% Silizium, 3,86 Gew.-% Kupfer, 0,95 Gew.-% Magnesium, 2,02 Gew.-% Nickel, 0,23 Gew.-% Mangan, 0,56 Gew.-% Eisen, 0,11 Gew.-% Zink und 0,055 Gew.-% Titan und 0,007 Gew.-% Vanadium sowie 61 ppm Phosphor. Fig. 1 shows a scanning electron micrograph of a prepared in a resin sheath 2 oxide layer 4 of an aluminum-silicon alloy having 13 wt .-% of silicon, 3.86 wt .-% copper, 0.95 wt .-% magnesium, 2.02 % By weight nickel, 0.23% by weight manganese, 0.56% by weight iron, 0.11% by weight zinc and 0.055% by weight titanium and 0.007% by weight vanadium and 61 ppm phosphorus ,

Man erkennt in Fig. 1 eine 20 µm dicke Oxidhaut 4, die maßgeblich auf eine Spinellbildung von Magnesiumoxid MgO und Aluminiumoxid Al₂O₃ zurückzuführen ist. It can be seen in Fig. 1 is a 20 micron thick oxide layer 4, which is largely due to a spinel of magnesium oxide MgO and alumina Al ₂ O _3.

Die Zusammensetzung der Aluminium-Silizium-Legierung, welche zu dem Schliffbild nach Fig. 2 führte, unterscheidet sich von der vorstehenden Gusslegierung dadurch, dass 0,114 Gew.-% Vanadium und 30 ppm Beryllium enthalten waren. Überraschenderweise wird hierdurch die Dicke der Oxidschicht auf den Bereich von 1 µm reduziert und die Schicht legt sich wie ein hauchdünner luft- und sauerstoffundurchlässiger Film über die Schmelzenoberfläche. Beim Vergießen derartiger erfindungsgemäßer Aluminium-Silizium-Gusslegierungen wird nicht nur ein geringerer Schmelzenanteil beim Entfernen der Oxidhaut verworfen, sondern auch die Gießwerkzeuge, insbesondere Kokillengießwerkzeuge müssen erst nach sehr viel längeren Zeitperioden aufwendig gereinigt werden. The composition of the aluminum-silicon alloy, which led to the micrograph according to FIG. 2, differs from the above cast alloy in that it contained 0.114% by weight vanadium and 30 ppm beryllium. Surprisingly, this reduces the thickness of the oxide layer to the range of 1 µm and the layer lies over the melt surface like an extremely thin film that is impermeable to air and oxygen. When such aluminum-silicon casting alloys according to the invention are cast, not only is a smaller proportion of melt discarded when the oxide skin is removed, but also the casting tools, in particular mold casting tools, only have to be laboriously cleaned after a much longer period of time.

Claims

1. Aluminum-silicon casting alloy with 7-25% by weight silicon and with a low magnesium content of 0.1-1.2% by weight magnesium, optionally with the following alloy components:
Fe ≤ 1.2% by weight
Cu ≤ 5.5% by weight
Mn ≤ 1.2% by weight
Ni ≤ 4% by weight
Zn ≤ 2.5% by weight
Pb ≤ 0.2% by weight
Ti ≤ 0.2% by weight
other impurities each ≤ 0.1% by weight and in total <1% by weight, the alloy also being 0.01 to 0.2% by weight of vanadium and 0.0005 to 0.01% by weight (5-100 ppm) beryllium.

2. Aluminum-silicon casting alloy according to claim 1, characterized characterized that the beryllium content 0.005-0.0035 wt .-% (5-35 ppm).

3. aluminum-silicon casting alloy according to claim 1 or 2, characterized in that the content of vanadium is 0.05 is up to 1.2 wt .-%, in particular 0.1 to 1.2 wt .-%.

4. Aluminum-silicon casting alloy according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the magnesium content <1 wt .-% is.

5. Aluminum-silicon casting alloy according to claim 4 that the magnesium content is 0.4-0.65% by weight.

6. Aluminum-silicon casting alloy according to one of the preceding claims, characterized in that the Calcium content at at most 15 ppm, preferably at is at most 10 ppm.

7. Pistons for internal combustion engines made from an aluminum-silicon casting alloy according to one or several of the preceding claims, with one Copper content in the melt or in the flask of 1.0-5.5% by weight, preferably 3-4.5% by weight of copper and one Silicon content of 10-15% by weight.

8. Piston according to claim 7, characterized in that Magnesium to 0.5 to 1.1 wt .-%, preferably to 0.8-1.1 wt .-% is contained in the melt or in the flask.

9. casting, in particular for use as a chassis part, made of an aluminum-silicon cast alloy according to one or more of claims 1-5, with a Copper content of the aluminum-silicon alloy and Casting less than 0.5% by weight, preferably less than 0.2% by weight and with a magnesium content of 0.2-0.6% by weight.

10. Casting according to claim 9, characterized by one Silicon content of 10-15% by weight.