DE3240041C2

DE3240041C2 - Verwendung einer Aluminium-Gußlegierung

Info

Publication number: DE3240041C2
Application number: DE3240041A
Authority: DE
Inventors: Akio Nuzuma Hashimoto; Tadao Fuji Ito
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 1981-10-28
Filing date: 1982-10-28
Publication date: 1985-09-12
Also published as: GB2111078B; US4462961A; FR2515214A1; GB2111078A; FR2515214B1; JPS5873740A; CA1204002A; JPS6238419B2; DE3240041A1

Abstract

Es wird eine Aluminium-Gußlegierung beschrieben, die mehr als 6 Gew.% und bis zu 13 Gew.% Silizium, mehr als 2 Gew.% und bis zu 5 Gew.% Kupfer, mehr als 0,25 Gew.% und bis zu 1 Gew.% Magnesium, mehr als 0,1 Gew.% und bis zu 0,5 Gew.% Nickel und mehr als 0,03 Gew.% und bis zu 1 Gew.% Antimon, zusätzlich zu Aluminium und Verunreinigungen, enthält. Das Kupfer und das Magnesium liegen im Gewichtsverhältnis von etwa 3 : 1 bis 8 : 1 vor.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Aluminiumlegierung spezieller Zusammensetzung zum Gießen von Kolben für Motoren. Die erfindungsgemäß verwendete Legierung weist hinsichtlich der Gießbarkeit, der Festigkeit und der Beständigkeit gegenüber H^!tze, thermischem Schock und permanenter Deformation durch Hitzp überlegene Eigenschaften aaf.

Aluminium wird neuerdings für einen weiten Bereich von Anwendungszwecken einschließlich der Herstellung von Fahrzeugen und Maschinen verwendet Es besteht daher ein starker Bedarf nach einer Aluminium-Gußlegierung, die hinsichtlich der Festigkeit und der Hitzebeständigkeit überlegene Eigenschaften aufweist

In der JA-OS 69 234/80 ist schon eine Gußlegierung mit verbesserter Gießbarkeit, Festigkeit und Hitzebeständigkeit beschrieben worden. Diese Legierung besteht aus mehr als 6% und bis zu 13% Silicium, mehr als 3%

und bis zu 5% Kupfer, mehr als 0,2% und bis zu 1% Magnesium und mehr als 0,03% und bis zu 1% Antimon sowie zum Rest aus Aluminium und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen. Sie besitzt eine maximale Festigkeit die so hoch wie 40 kg/cm² ist, und eine Dehnung von 3 bis 4%. Hinsichtlich der thermischen Schockbeständigkeit ist sie jeder bekannten Legierung dieser Art, beispielsweise der JIS-Aluminium-Gußlegierung AC8A oder AC8B, weit überlegen. Diese Legierung ist daher Tür die Herstellung von Maschinenteilen

geeignet, die wiederholt einem intensiven Erhitzen ausgesetzt sind, wie zum Beispiel Kolben in Verbrennungsmotoren.

Weitere Untersuchungen haben jedoch gezeigt daß die oben erwähnte Legierung eine Anzahl von Nachteilen besitzt So wurde beispielsweise festgestellt, daß, wenn ein aus dieser Legierung hergestellter Kolben über einen langen Zeitraum verwendet wird, derjenige Teil des Kolbens, der wiederholt der Hitzeeinwirkung ausgesetzt

worden war, eine permanente Volumenschrumpfung erfährt, die von derjenigen verschieden ist, welche von der üblichen thermischen Expansion und Kontraktion herrührt. Diese Schrumpfung erhöht den Abstand zwischen dem Kolben und dem Zylinder, was zu einem Durchblasen oder Klopfen des Kolbens führt. Weiterhin kann es in diesem Fall vorkommen, daß die Legierung einen lamellaren Abrieb erfährt, und zwar beispielsweise in einer Rille, in die ein Kolbenring eingepaßt ist, was dazu führt, daß der Ring nicht mehr richtig funktionieren kann.

Aus »Aluminium-Taschenbuch« 1974, Seite 968 und 969 ist eine genormte Aluminium-Gußlegierung bekannt, die aus 8,5 bis 10,5% Silicium, 0 bis 1,2% Eisen, 2 bis 4% Kupfer, 0 bis 0,5% Mangan, 0,5 bis 1,5% Magnesium, 0 bis 0,5% Nickel, 0 bis 1% Zink, 0 bis 0,25% Titan, bis zu insgesamt 0,5% anderen Elementen und Aluminium als Rest'besteht Weiterhin ist aus der FR-PS 14 94 315 eine Aluminium-Gußlegierung mit 4 bis 17% Silicium, 0 bis 3% Kupfer, 0,1 bis 1,5% Magnesium, 0,04 bis 0,25% Antimon und Aluminium als Rest bekannt, die noch Mangan,

Titan und andere Elemente enthalten kann, die in diesem Legierungstyp üblicherweise anwesend sind.

In diesen Druckschriften finden sich aber keine Hinweise auf die Verwendung solcher Legierungen zum Gießen von Kolben für Motoren.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Aluminiumlegierung spezieller Zusammensetzung aufzufinden, die zum Gießen von Kolben für Motoren geeignet ist. Diese Kolbenmotoren sollen auch nach langdauerndem Erhitzen

so einwandfrei funktionieren.

Es wurde nun gefunden, daß die Zugabe von Nickel in einer Menge von mehr als 0,1 Gew.-% und bis zu 0,5 Gew.-% und von Kupfer und Magnesium in einem Gewichtsverhältnis von etwa 3:1 bis 8:1 zu der in der JA-OS 69 234/80 beschriebenen Legierung dazu wirksam ist, die oben erwähnte Volumenschrumpfung zu verhindern und die Verschleißfestigkeit der Legierung zu verbessern, ohne daß eine nennenswerte Verschlechterung ihrer ausgezeichneten Eigenschaften mit Einschluß der Festigkeit und der thermischen Schockbeständigkeit bewirkt wird.

Gegenstand der Erfindung ist daher die Verwendung einer Aluminiumlegierung aus mehr als 6% bis zu 13% Silicium, mehr als 2% bis zu 5% Kupfer, mehr als 0,25% bis zu 1 % Magnesium, mehr als 0,1 % bis zu 0,5% Nickel, mehr als 0,03% bis zu 1 % Antimon und Aluminium als Rest mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, wobei das Kupfer und Jas Magnesium im Gewichtsverhältnis von 3:1 bis 8:1 vorliegen, zum Gießen von Kolben für Motoren.

Die erfindungsgemäß verwendete Legierung hat ausgezeichnete thermische Eigenschaften mit Einschluß einer ausgezeichneten thermischen Schockbeständigkeit und Beständigkeit gegenüber einem lamellaren Abrieb. Selbst nach langdauerndem Aussetzen an hohe Temperaturen ist sie praktisch von einer Volumenschrumpfung

frei. Die erfindungsgemäß verwendete Legierung ist daher zur Herstellung von Kolben für Motoren geeignet.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die permanente volumetrische Veränderung, die in Gußteilen aus der Legierung nach langdauerndem Aussetzen an hohe Temperaturen in Abhängigkeit vom Verhältnis von Kupfer zu Magnesium in einer erfin-

dungsgemäß verwendeten Nickel enthaltenden Legierung (a) und einer nickelfreien Legierung (b) auftritt,

F i g. 2 die Beziehung zwischen der in Gewichtsprozent ausgedrückten Nickelmenge in der erfindungsgemäß verwendeten Legierung und der Beständigkeit gegenüber einem Verschleiß durch Abblättern, und

F i g. 3 einen Vergleich der erfindungsgemäß verwendeten Legierung mit einer herkömmlichen Legierung (nach der JIS-Norm als AC8A bezeichnet) und einer Vergleichslegierung bezüglich der thermischen Schockbeständigkeit.

Silicium ist ein Element, das im wesentlichen zur Verstärkung der Legierung erforderlich ist, das ihr eine Verschleißfestigkeit verleiht und das ihre Gießbarkeit verbessert Die vollen Vorteile der Verwendung von Silicium können bei Mengen von 6% oder weniger nicht erwartet werden, während umgekehrt die Verwendung von mehr als 13% Silicium zu einer Verminderung der Zähigkeit und der thermischen Schockbeständigkeit der Legierung führen kann.

Das Kupfer trägt zu einer Verbesserung der Festigkeit der Legierung durch Wannauslagerung bei Bei Verwendung von nur 2% oder weniger Kupfer ist es jedoch unmöglich, irgend eine wirksame Verbesserung der Legierungsfestigkek zu erwarten, während andererseits aber auch die Verwendung von mehr als 5% Kupfer vermieden werden sollte, da bei derart großen Mengen eine intermetallische Verbindung zwischen dem Aluminium und dem Kupfer gebildet wird, die nicht in Form einer festen Lösung vorliegt und daher in der Matrix zurückbleiben kann. Diese bewirkt eine Verminderung der Zähigkeit und der Dauerfestigkeit der Legierung, und sie führt auch dazu, daß der Gußkörper gegenüber einer Rißbildung anfälliger wird.

Das Magnesium trägt zu einer Verbesserung der Festigkeit der Legierung bei, da eine intermetallische Verbindung, bestehend aus Magnesium und Silicium oder Aluminium, Kupfer und Magnesium, durch Warmauslagerung ausgefällt wird. Bei Mengen von nur 0,25% oder weniger Magnesium kann jedoch eine derartige Ausfällung nicht in genügender Menge erfolgen, während umgekehrt auch die Verwendung von mehr als 1% Magnesium vermieden werden sollte, da hierdurch eine drastische Verminderung der Zähigkeit und der thermischen Schockbeständigkeit der Legierung bewirkt wird und der Effekt des Antimons in der Legierungsstruktur schwerwiegend verschlechtert wird.

Das Antimon verbessert die Legierungsstruktur, wodurch die thermische Schockbeständigkeit erheblich erhöht wird. Die Verwendung von nur 0,03% oder weniger reicht jedoch nicht aus, während andererseits Mengen von mehr als 1% zu keinen entsprechenden Verbesserungen eier Ergebnisse führen.

Das Nickel verhindert eine nennenswerte permanente Schrumpfung der Legierung nach dem Aussetzen an hohe Temperaturen, und es verbessert die Beständigkeit gegenüber einem Verschleiß durch Abblättern. Jedoch sind Mengen von nur 0,1% oder weniger nicht ausreichend, während umgekehrt die Verwendung von mehr als 0,5% zu einer drastischen Verminderung der thermischen Schockbeständigkeit der Legierung führen kann. Nickel ist wirksam, um eine solche Schrumpfung zu verhindern, wenn das Kupfer und das Magnesium in der Legierung im Gewichtsverhältnis von 3 :1 bis 8 :1 vorliegen. Wenn dieser Bedingung nicht genügt wird, dann kann die Verwendung des Nickels sich nicht als vollständig wirksam erweisen.

Die erfindungsgemäß verwendete Legierung kann Verunreinigungen, wie Eisen, Zink, Vanadium und Chrom, in solchen Mengen enthalten, wie sie üblicherweise in den Rohmaterialien vorhanden sind, aus denen die Legierung hergestellt wird. Sie enthält auch unvermeidbar kleine Mengen von Elementen, wie Titan, Bor und Beryllium, als Ergebnis der Schmelzbadbehandlung. Diese Verunreinigungen üben keinerlei nachteiligen Effekt auf die Qualität der Legierung aus. Das Vorhandensein von Titan ist sogar günstig, da dieses Element dazu dient, die Schrumpfung von aus der Legierung hergestellten Gußkörpern zu verbessern.

Um die thermische Beständigkeit der Legierung zu verbessern, ist es wirksam, mehr als 0,1%, jedoch nicht mehr als 0,5% Zirkonium und/oder mehr als 0,1%, jedoch nicht mehr als 1% Mangan zuzusetzen.

Die Erfindung wird in den Beispielen erläutert.

45 Beispiel 1

Effekte des Vorhandenseins von Nickel und des Verhältnisses von Kupfer zu Magnesium
auf die permanente Defonration eines Gußkörpers nach langandauerndem Erhitzen

Es wurden verschiedene Aluminiumlegierungen mit verschiedener Zusammensetzung auf die permanente Deformation bei hoher Temperatur untersucht. Die Legierungen enthielten 11% Silicium, 0,15% Antimon, 2,3 oder 4% Kupfer und Magnesium in einer Menge, die durch ein Gewichtsverhältnis von Kupfer zu Magnesium von 3:1,6:1 oder 9 :1 ausgedrückt wird. Einige der Legierungen enthielten zusätzlich Nickel, während dies bei den anderen Legierungen nicht der Fall var. F i g. 1 zeigt die Testergebnisse bei den Gußkörpern der Nickel enthaltenden Legierung (a) und den Gußkörpern der nickelfreien Legierung (b).

Die Probekörper aus den einzelnen Legierungen wurden in der Weise hergestellt, daß die Legierung in eine bootförmige Form entsprechend den Erfordernissen der JIS-Norm für die Form Nr. 4 eingegossen wurden, die Gußkörper 10 Std. lang bei 500° C einer Lösungsglühungsbehandlung unterworfen wurden, diese in Wasser abgeschreckt wurden, diese 8 Std. bei 200°C ausgelagert wurden und zu einer Rundstange mit einem Durchmesser von 200 mm und einer Länge von 90 mm präzisionsverformt wurden. Die Probekörper wurden 50 Std. lang kontinuierlich auf 350°C erhitzt. Nach dem Abkühlen in der Luft wurden sie auf Dimensionsveränderungen entlang ihrer Länge untersucht.

Die 2% Kupfer enthaltenden Legierungen enthielten 0,2% Nickel, während die anderen Legierungen 0,4% Nickel enthielten.

Wie aus Fig. Ib) hervorgeht, zeigten die nickelfreien Legierungen als Ergebnis der 50stündigen Wärmebehandlung bei 350° C eine volumetrische Schrumpfung. Diese Tendenz wurde mit steigendem Kupfergehalt der Legierung und mit steigendem Verhältnis von Kupfer zu Magnesium ausgeprägter. Wie aus F i g. 1 (a) ersichtlich

wird, war jedoch das Deformationsproblem bei den Probekörpern der erfindungsgemäßen Legierungen, die die richtige Nickelmenge enthielten, erheblich verbessert worden.

Beispiel 2
Mechanische Eigenschaften

Die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen wurden hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften mit einer herkömmlichen Legierung, die nach der JIS-Norm als AC8A bezeichnet wird, verglichen. Die Legierung bestand aus Aluminium, Silicium, Kupfer, Magnesium und Nickel. Die chemische Zusammensetzung der verwendeten Legierungen ist in Tabelle I gezeigt, während die mechanischen Eigenschaften in Tabelle II zusammengestellt sind. Die Proben Nr. t bis 6 sind aus der erfindungsgemäß verwendeten Legierung hergestellt. Die Probe Nr. 6 ist ein geschmiedetes Produkt, das aus einem säulenförmigen Gußkörper mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Länge von 300 mm durch 2stündiges Erhitzen bei 480° C und Schmieden bei einer Temperatur von 420° C bis 450° C gebildet worden ist. Die Probe Nr. 7 ist eine herkömmliche AC8A-Legierung.

Tabelle I

Chemische Zusammensetzung (%)

Nr.	Si	Cu	Mn Mg	Sb	Ti	Ni	Zr	Al	Cu/Mg	erf. gem.
1	7,2	2,7	- 0,45	0,10	0,1	0,4	_	BaI.	6:0:1	erf. gem.
2	8,0	2,7	- 0,46	0,10	—	0,4	0,3	BaI.	5:7:1	erf. gem.
3	9,2	3,3	- 0,82	0,15	—	0,4	—	BaI.	4:0:1
4	9,1	3,5	0,8 0,81	0,15	—	0,4	—	Bai.		erf. gem.
5	11,2	4,6	- 0,91	0,15	—	0,4	—	BaI.	5:0:1	erf. gem.
6	93	3,4	0,7 0,90	0,15	0,1	0,4	0,3	BaI.	3:8:1	AC8A
7	12,1	1,0	- 1,10	—	0,1	1,8	—	BaI.	0:9:1
Tabelle	II									Bedingungen der Wärmebehandlung
Nr.	Zugfestigkeit	0,2-Grenze	Dehnung		Härte			Lösungsglühen/Abschrecken/
	(N/mm²)	(N/mm²)	(%)		(HB)		Auslagern

1	308
2	312
3	319
4	321
5	331
6	339
7	291

255 274 292 294 310 300 284

4,6 4,1 3,8 33 3,1 5.0 0,7

98
103
110
115
119
118
109

500° C, 6 h/Wasser/200°C, 8 h 500° C, 6 h/Wasser/200°C, 8 h 500° C, 6 h/Wasser/200°C,8 h 500° C, 6 h/Wasser/200^o C, 8 h 500° C, 6 h/Wasser/200°C, 8 h 500° C, 1 h/Wasser/200°C,8 h 500° C, 10 h/Wasser/200°C, 8 h

Aus Tabelle II wird ersichtlich, daß die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen der herkömmlichen Legierung nicht nur hinsichtlich der Festigkeit vergleichbar sind, sondern dieser auch hinsichtlich der Dehnung und daher der Zähigkeit weitaus überlegen sind.

Beispiel 3
Beständigkeit gegenüber einem Verschleiß durch Abblättern

Zweck dieses Beispiels ist es, die Beständigkeit eines aus der ernndungsgemäß zu verwendenden Legierung hergestellten Maschinenteils gegenüber einem lamellaren Abrieb bei Bedingungen zu zeigen, wo eine wiederholte Druckbeanspruchung bei hoher Temperatur erfolgt. Ein Beispiel ist die Verschleißbeständigkeit beim Abblättern eines Kolbens in einem Automobilmotor.

Die Testergebnisse sind in F i g. 2 dargestellt Jeder Probekörper wurde bei hoher Temperatur gehalten und einer wiederholten Druckbeanspruchung mit einer maximalen Last von 100 kg und einer minimalen Last von 10 kg unterworfen. Dies geschah unter Verwendung einer Stahlkugel in einem FRICTOLON-Reibungstester (Warenzeichen) (Modell EMP-III-B ■ F-855). Es wurde die gebildete Eindrucktiefe gemessen. Die Tests wurden bei 300° C durchgeführt und die Anwendung der Druckbeanspruchung wurde mit einer Rate von 2700 Zyklen/ min wiederholt

Die Proben waren aus Aluminiumlegierungen mit unterschiedlicher Zusammensetzung hergestellt Die Legierungen enthielten 9% Silicium, 3% Kupfer, 1% Magnesium, 0,15% Antimon und 0, OA OA 1,0 oder 2,0% Nickel. Die Probekörper waren durch Eingießen der Legierung in eine bootförmige Form Nr. 4 gemäß der JIS-Norm, östündiges Lösungsglühen bei 500⁰C, Abschrecken in Wasser und 8stündige Auslagerung bei 200° C hergestellt worden.

Aus F i g. 2 wird ersichtlich, daß die Proben eine drastische Verminderung des Verschleißes zeigten, wenn die

Legierung etwa 0,2% Nickel enthielt. Die Proben aus den Legierungen mit 0,5% oder mehr Nickel zeigten nur ein geringes Ausmaß des Verschleißes, das bei den verschiedenen Nickelgehalten der Legierung oberhalb etwa 0,5% praktisch konstant war. Die Testergebnisse zeigen daher, daß es ausreichend ist, bis zu 0,5% Nickel zuzusetzen, um die Beständigkeit gegenüber einem Verschleiß durch Abblättern der Legierung zu verbessern.

5 Beispiel 4

Thermische Schockbeständigkeit

F i g. 3 zeigt die Testergebnisse, die die ausgezeichnete thermische Schockbeständigkeit der erfindungsgemäß verwendeten Legierung zeigen. Die Tests wurden durchgeführt, um eine erfindungsgemäß verwendete Legierung mit 9,2% Silicium, 3,3% Kupfer, 0,9% Magnesium, 0,15% Antimon und 0,41% Nickel, Restgehalt Aluminium und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, mit einer Vergleichslegierung mit¹0,6% Nickel und einer herkömmlichen Legierung entsprechend der Probe Nr. 7 in Beispiel 2 zu vergleichen. Die Tests wurden mit Legierungen durchgeführt, die jeweils einer östündigen LösungsglUhung bei 500⁰C, einem Abschrecken in Wasser und einer 8stündigen Auslagerung bei 200⁰C unterworfen worden waren.

Aus jeder Legierung wurde ein Probekörper in Form einer Scheibe mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Dicke von 3 mm hergestellt. Der Probekörper hatte in seiner Mitte ein Loch mit einem Durchmesser von 5 mm. Jeder Probekörper wurde in der Mitte rasch mittels eines Gasbrenners erhitzt, und beim Erreichen einer Temperatur von 350⁰C des gesamten Probekörpers wurde er sofort in Wasser mit einer Temperatur von etwa 20⁰C abgeschreckt Beim Wiederholen dieses Zyklus aus raschem Erhitzen und Abschrecken wurde durch innere Spannungen in dem Probekörper eine thermische Spannung erzeugt, und der Probekörper begann, um sein Mittelloch herum Risse zu bilden. Es wurde die Anzahl der wiederholten Zyklen, bis die Rißbildung auftrat und bis die Risse zu verschiedenen Längen gewachsen waren, bestimmt, um die Legierungen hinsichtlich der thermischen Schockbeständigkeit zu vergleichen.

Aus F i g. 3 wird ersichtlich, daß die erfindungsgemäß verwendete Legierung der herkömmlichen AC8A-Legierung hinsichtlich der thermischen Schockbeständigkeit weit überlegen ist, da bei der erstgenannten Legierung die Rißbildung nach erheblich mehr Zyklen erfolgte als bei der letztgenannten Legierung. Die Risse wuchsen mit definitiv niedriger Geschwindigkeit (vgl. Kurven a und c). F i g. 3 zeigt auch, daß die Zugabe von Nickel in einer Menge von mehr als 0,5% zu einer drastischen Verminderung der thermischen Schockbeständigkeit der Legierung führt (vgl. Kurve b mit Kurve a).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

i Verwendung einer Aluminiumlegierung aus mehr als 6% bis zu 13% Silicium, mehr als 2% bis zu 5% Kupfer, mehr als 0,25% bis zu 1% Magnesium, mehr ab 0,1% bis zu 0,5% Nickel, mehr als 0,03% bis zu 1% Antimon und Aluminium als Rest mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, wobei das Kupfer und das Magnesium im Gewichtsverhältnis von 3 :1 bis 8 :1 vorliegen, zum Gießen von Kolben für Motoren.
2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, die zusätzlich mehr als 0,1% bis zu 0,5% Zirkonium und/oder mehr als 0,1 % bis zu 1 % Mangan enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.
3. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 oder 2, die zusätzlich mehr als 0,03 bis zu 2,0% Titan enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.