DE4404420C2 - Aluminium-Silicium-Legierung und ihre Verwendung - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft eine Aluminium-Silicium-Legierung, sowie besonders günstige Verwendungen dieser Legierung, insbesondere für Bauteile, die bei erhöhten Temperaturen verwendet werden und mechanisch hoch beansprucht sind.

Verschiedene Aluminium-Silicium-Legierungen sind be­ kannt, wobei diese je nach dem Siliciumgehalt in eutek­ tische, übereutektische bzw. untereutektische Legierungen eingestuft werden. Viele dieser bekannten Legierungen eignen sich als Legierungen für Kolben. Beispielsweise ist aus Aluminium-Schlüssel, W. Hufnagel, Hrsgb. Alumi­ nium-Zentrale, Aluminium-Verlag, 1. Auflage, 1981, S. 85 eine Aluminiumlegierung bekannt, umfassend 8,5 bis 10,5 Gew.-% Si, 2,0 bis 4,0 Gew.-% Cu, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Mg, weniger als 1,2 Gew.-% Fe, weniger als 0,5 Gew.-% Mn, weniger als 0,5 Gew.-% Ni, weniger als 1,0 Gew.-% Zn, weniger als 0,25 Gew.-% Ti, weniger als insgesamt 0,5 Gew.-% sonstige Elemente, Rest Aluminium. Obwohl ein aus dieser Legierung hergestellter Kolben eine gute mecha­ nische Festigkeit hat, ist diese bei hohen Temperaturen nicht ausreichend.

Aus DE-OS-19 32 537 sind Aluminiumlegierungen be­ kannt, deren Siliciumgehalt im Bereich von 8,5 bis 10,5 Gew.-% liegt. Zusätzlich weist diese Legierung verhält­ nismäßig geringe Anteile der Elemente Cu, Ni und Mn auf, was dazu führt, daß auch diese Legierung keine ausrei­ chende mechanische Festigkeit, insbesondere bei erhöhter Temperatur hat.

Aus DE-OS 38 23 476 ist eine Aluminiumlegierung be­ kannt, die für Kolben verwendet werden kann. Ein kon­ kretes Beispiel einer solchen Legierung umfaßt 9 Gew.-% Si, 3,5 Gew.-% Cu, 1,0 Gew.-% Mg, 0,15 Gew.-% Ti + B und 1,8 Gew.-% Ni. Auch ein Kolben aus dieser Legierung ge­ nügt nicht den hohen mechanischen und thermischen Belas­ tungen in heutigen Hochleistungsmotoren.

In Everling-Müller-Richter, Leichtmetallkolben, VEB Verlag Technik Berlin 1953, Tafel 2c nach S. 40, ist die Zusammensetzung der Kolbenlegierung "Nüral 3210a" ange­ geben. Der Si-Gehalt liegt zwischen 9 und 11 Gew.-%; Cu und Ni werden in Mengen von 2 bis 2,8 bzw. 0,2 bis 0,4 Gew.-% verwendet. Auch diese Legierung weist keine aus­ reichende mechanische Festigkeit bei höheren Temperaturen auf.

DE-OS 41 03 934 beschreibt eine für Kolben geeignete Aluminiumlegierung, die mindestens 9,0 Gew.-% Si, 3,0 bis 7,0 Gew.-% Ni, 1,5 bis 6,0 Gew.-% Cu und mindestens ein Element aus der Gruppe Mg, Mn, V, Sc, Fe, Ti, Sr, Zn, B und Cr enthält, wobei der Rest Aluminium und Verunreini­ gungen sind. Besonders bevorzugt ist es, wenn diese Legierung maximal 0,8 Gew.-% Mg enthält. Der sehr hohe Gehalt an Ni führt zwar zu einer guten mechanischen Festigkeit, jedoch werden die Kosten dieser Legierung dadurch sehr hoch.

Unter den naheutektischen Legierungen ist beispiels­ weise die Legierung A-S12U4NZr bekannt (siehe Metals and Materials, 1972, S. 211-216; R.F. Smart und J.A. Reynolds, Aluminium in Automotive Piston Materials). Diese Legie­ rung weist Silizium in einem Anteil von 11,0 bis 13,5 Gew.-% auf. Diese Legierung enthält außer 0,9 bis 1,6% Mg; 3,5 bis 4,5% Cu und 1,1 bis 1,7% Ni verhältnismäßig große Mengen an Fe und Mn. Das Vorhandensein von Mn in relativ hohen Gehalten ist hier erforderlich, da der Fe-Gehalt verhältnismäßig hoch ist. Denn bei einem hohen Fe-Gehalt bilden sich lange Nadeln, die durch die Gegenwart von Mn modifiziert werden, so daß deren nachteilige Wirkung gemildert wird. Insgesamt bleibt diese Legierung unbefriedigend, insbesondere, weil Primärsiliciumkristalle unvermeidlich in ihrem Gefüge auftreten.

Aus dem Aluminium-Handbuch, 14. Aufl., S. 1044 ist die Kolbenlegierung "LM 30" mit übereutektischem Si-Anteil (16,0 bis 18,0 Gew.-%) bekannt, die einen hohen Fe-Anteil (1,1 Gew.-%), einen verhältnismäßig geringen Mn-Anteil (0,3 Gew.-%) und verhältnismäßig wenig Mg (0,4 bis 0,7 Gew.-%) enthält. Außerdem sind noch Kornfeinungsmittel enthalten, z. B. Zn und Ti. Auch diese Legierung weist einen hohen Anteil an Primärsilicium auf.

Aus US-PS 5,217,546 eine übereutektische Legierung mit 12 bis 15 Gew.-% Si bekannt, die mehr als 0,10 Gew.-% Sr und gleichzeitig mehr als 0,005 Gew.-% Ti enthält. Außerdem enthält diese Legierung 1,5 bis 5,5% Cu; 1,0 bis 3,0% Ni; 0,1 bis 1,0% Mg; 0,1 bis 1,0% Fe; 0,1 bis 0,8% Mn und 0,01 bis 0,1% Zr. Zusätzlich kann diese Legierung eine Reihe anderer Elemente als zulässige Beimengungen aufweisen.

Aus US-PS 4,648,918 ist schließlich eine Al-Legierung bekannt, die 7,5 bis 15 Gew.-% Si, 3,0 bis 6,0 Gew.-% Cu, 0,3 bis 1,0 Gew.-% Mg, 0,25 bis 1,0 Gew.-% Fe, 0,25 bis 1,0 Gew.-% Mn, Rest Aluminium und unvermeidbare Verun­ reinigungen enthält. Die Größe der Primärsilicium-Kristalle ist kleiner als 80 µm.

Die ständige technische Weiterentwicklung von Verbren­ nungsmotoren zu höheren Leistungen bei geringerem Kraft­ verbrauch und gleichzeitig niedrigeren Schadstoffemissio­ nen hat dazu geführt, daß insbesondere die Bauteile Kolben immer höheren mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt sind.

Aus Nüral-Kolbenhandbuch von Alcan Deutschland GmbH, Ausgabe 1992 sind verschiedene Kolbenlegierungen angege­ ben (siehe S. 25/35), wobei diese einen eutektischen oder übereutektischen Si-Gehalt aufweisen können. Die Zusätze von Cu, Mg und Ni liegen jeweils in der Größenordnung von 1 Gew.-%.

Diese üblichen Kolbenlegierungen und ebenso die oben beschriebenen, bekannten Al-Si-Legierungen genügen den An­ forderungen häufig nicht mehr. Zum einen büßen sie bei Temperaturen von 250°C bereits mehr als die Hälfte ihrer mechanischen Festigkeit bei Raumtemperatur ein. Andererseits muß berücksichtigt werden, daß diese Legie­ rungen in ihrem Gefüge scharfkantige Kristalle aus Primär­ silicium aufweisen, die unter Wechsellastbeanspruchung zum Ausgangspunkt von Ermüdungsbrüchen werden und ebenso die Rißausbreitung begünstigen.

In dem oben bereits beschriebenen US-Patent 5 217 546 ist die Problematik der Bildung von Primärsiliciumkristal­ len angesprochen. Zur Vermeidung der damit auftretenden Probleme wird dort vorgeschlagen, Sr in einer Menge von mehr als 0,10 Gew.-% und gleichzeitig Ti in einer Menge von mehr als 0,005 Gew.-% zu der Legierung zu geben. Dadurch wird möglich, daß vorhandene Primärsiliciumkri­ stalle gleichmäßig dispergiert sind und daß keine Segrega­ tion auftritt. Der hohe Sr-Gehalt fördert jedoch die Was­ serstoffaufnahme der Schmelze mit der Folge kaum vermeid­ barer Feinporosität im Gefüge des Gußteiles.

Es wurde auch versucht, die Abkühlbedingungen der ver­ gossenen Schmelze so einzustellen, daß die Ausscheidung von Primärsilicium unterdrückt werden kann. Mit dieser Verfahrensweise hat man zwar unter Laborbedingungen einen gewissen Erfolg, jedoch nicht bei der Herstellung kompli­ zierterer Gußteile unter industriellen Fertigungsbedingun­ gen.

Bei der Fertigung industrieller Gußstücke, wie z. B. Kolben, muß aus gießtechnischen und speisungstechnischen Gründen in der Regel in großen Bereichen der Gußstücke eine relativ langsame Erstarrung in Kauf genommen werden, die selbst in untereutektischen Kolbenlegierungen mit Si-Gehalten von weniger als 12 Gew.-% zur Ausbildung von Pri­ märsiliciumkristallen führt. Diese Ausbildung von Primär­ siliciumkristallen wird umso mehr gefördert, wenn Legie­ rungselemente wie Cu und Mg in untereutektischen Al-Si-Legierungen vorhanden sind.

Zur Steigerung der Warmfestigkeit von Kolben hat man auch versucht, thermisch und mechanisch besonders hoch be­ lastete Bereiche durch Eingießen von Faserwerkstoffen oder durch Einlagen aus hochfesten Metall- oder Keramikteilen zu armieren, ohne daß dabei in jeder Hinsicht befriedi­ gende Lösungen erzielt werden konnten. Insbesondere die durch derartige Armierungen verursachten Kosten stehen einer großtechnische Anwendung im Wege.

Dieser Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine für thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Bauteile verwendbare Al-Si-Legierung anzugeben, die ein von Primär­ silicium-Kristallen freies Mikrogefüge aufweist und eine wesentlich höhere Warmfestigkeit besitzt als konventio­ nelle Legierungen, ohne daß für die Herstellung dieser Legierung ein kostenträchtiger hoher technologischer Auf­ wand erforderlich wäre.

Erfindungsgemäß wird eine Al-Legierung zur Verfügung gestellt, die die folgenden Bestandteile umfaßt:

Si: 8,0 bis 10,9 Gew.-%,
Mg: <1,0 bis 2,0 Gew.-%,
Cu: 4,0 bis 5,9 Gew.-%,
Ni: 1,0 bis 3,0 Gew.-%,
Mn: 0,2 bis 0,4 Gew.-%,
Fe: <0,5 Gew.-%

sowie mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe:
Sb, Zr, Ti, Sr, Co, Cr und V, wobei von diesen Elementen mindestens ein Element in einer Menge von mehr als 0,3 Gew.-% vorhanden ist und wobei die Summe dieser Elemente <0,8 Gew.-% ist.

Überraschenderweise wurde festgestellte daß die oben genannte erfindungsgemäße Al-Legierung die eingangs be­ schriebenen Nachteile nicht aufweist und insbesondere frei ist von Primärsiliciumkristallen. Diese Legierung zeich­ net sich auch dadurch aus, daß sie hohe thermische und mechanische Belastungen deutlich besser aushält als die konventionellen Legierungen.

Erfindungsgemäß ist es besonders bevorzugt, wenn die Legierungselemente Si, Mg und Cu in bestimmten Gewichts­ verhältnissen eingesetzt werden, die wie folgt angegeben werden:

Si: Mg = 5 bis 10,
Si: Cu = 1,5 bis 2,
15,0 Gew.-% < Cu + Si + Mg < 19,0 Gew.-%.

Die erfindungsgemäße Legierung enthält neben den Hauptbestandteilen Si, Mg, Cu, Ni, Mn und Fe auch minde­ stens ein Element aus den folgenden Legierungselementen Sb, Zr, Ti, Sr, Co, Cr und V, wobei mindestens ein Element in einer Menge von <0,3 Gew.-% enthalten ist und wobei die Summe dieser Elemente <0,8% ist. Das Vorhandensein die­ ser Elemente in Kombination mit den genannten Haupt­ elementen führt zu einer hohen Festigkeit der resultieren­ den Legierung auch bei erhöhten Temperaturen. Vorzugs­ weise sind die genannten Elemente in den folgenden Mengen vorhanden:

Sb: 0-0,3 Gew.-%,
Ti: 0-0,4 Gew.-%,
Co: 0-0,5 Gew.-%,
V: 0-0,1 Gew.-%,
Zr: 0-0,5 Gew.-%,
Sr: 0-0,1 Gew.-%,
Cr: 0-0,1 Gew.-%.

Besonders bevorzugt sind diese Elemente in den folgenden Mengen vorhanden:

Sb: 0,1-0,3 Gew.-%,
Co: 0,2-0,5 Gew.-%,
Sr: 0,01-0,1 Gew.%,
Cr: 0,05-0,1 Gew.-%,
Zr: 0,15-0,5 Gew.-%,
Ti: 0,1-0,4 Gew.-%,
V: 0,05-0,1 Gew.-%,

wobei nicht alle dieser Elemente gleichzeitig vorhanden sein müssen.

Bei Praxisversuchen hat sich überraschenderweise ge­ zeigt, daß nach diesen bevorzugten Regeln zusammengesetzte Legierungen selbst in langsam erstarrten, dickwandigen Gußteilbereichen frei von Primärsiliciumkristallen sind. Außerdem weisen solche Legierungen gegenüber konventio­ nellen Kolbenlegierungen eine erheblich bessere Warm­ festigkeit auf.

Während beispielsweise die Streckgrenze der üblichen eutektischen Kolbenlegierungen im T5-Zustand bei einer Temperatur von 250°C um mehr als 40% im Vergleich zu der Streckgrenze bei Raumtemperatur absinkt, liegt diese bei der erfindungsgemäßen Legierung bereits bei Raumtempe­ ratur auf einem höheren Niveau und sinkt bei einer Tempe­ ratur von 250°C um nur ca. 25% ab.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aluminiumlegierung auch für Kolben verwendet. Bevorzugt wer­ den diese Kolben gegossen, wobei die erfindungsgemäße Legierung sich erfolgreich in allen gängigen Gießverfahren vergießen läßt, z. B. Sandguß, Schwerkraft-Kokillenguß, Niederdruckguß, Druckguß und Preßguß (Squeeze-Casting).

Die aus der erfindungsgemäßen Al-Legierung hergestell­ ten Kolben weisen unter Motorlaufbedingungen eine wesent­ lich höhere mechanische Belastbarkeit bei hohen Tempera­ turen auf als Kolben, die aus herkömmlichen Legierungen hergestellt sind.

Die erfindungsgemäße Al-Legierung ist insbesondere für hoch beanspruchte Kolben oder Verbrennungskraftmaschinen mit einem solchen Kolben, verwendbar. Ihre guten Eigen­ schaften können jedoch mit Vorteil auch in der Anwendung für andere bei erhöhten Temperaturen mechanisch hoch bean­ spruchte Bauteile nutzbar gemacht werden. Somit kann die erfindungsgemäße Legierung z. B. auch für Motorblöcke, Kom­ pressorengehäuse, Zylinderköpfe und diverse andere Bau­ teile verwendet werden, die bei erhöhten Temperaturen arbeiten und mechanisch widerstandsfähig sein müssen.

Eine erfindungsgemäß besonders bevorzugte Al-Legierung hat eine Zusammensetzung in folgenden Toleranzbereichen:

Si: 9,8-10,5 Gew.-%,
Cu: 4,9-5,5 Gew.-%,
Ni: 1,5-2,2 Gew.-%,
Mg: 1,5-1,9 Gew.-%,
Mn: 0,2-0,3 Gew.-%,
Fe: <0,5 Gew.-%,
Sb: 0,1-0,2 Gew.-%,
Co: 0,3-0,4 Gew.-%,
Zr: 0,15-0,25 Gew.-%.

Aluminium mit unvermeidbaren Verunreinigungen: Rest.

Bei dieser speziellen bevorzugten Al-Legierung liegen die Konzentrationsverhältnisse von Si, Mg und Cu in dem oben angegeben, besonders bevorzugten Bereich. Dadurch ist es insbesondere möglich, das Auftreten von Primär-Siliciumkristallen gänzlich zu verhindern. Somit ist es möglich, ein Gefüge zu erzeugen, das keine Primärsilicium­ kristalle aufweist, indem zum einen der Si-Gehalt im Ver­ gleich zu den heute überwiegend gebräuchlichen Al-Kolben-Legierungen relativ niedrig eingestellt ist und indem zu­ gleich die Legierungsbestandteile Si, Cu und Mg in Abhän­ gigkeit voneinander bezüglich ihres Gehaltes festgelegt werden. Die Eignung einer solchen Legierung für Kolben konnte nicht ohne weiteres erwartet werden, insbesondere in Anbetracht des geringeren Si-Gehaltes. Denn für die Eignung als Kolbenlegierung wurde insbesondere angenommen, daß ein Mindestgehalt an Si von 12% zur Wahrung guter Laufeigenschaften unentbehrlich sei.

Diese Erfindung wird nachfolgend anhand eines Bei­ spiels noch näher erläutert.

Ein Kolben wurde im Schwerkraft-Kokillengußverfahren hergestellt, wobei die folgende Legierung verwendet wurde:

Si: 10,0 Gew.-%,
Cu: 5,0 Gew.-%,
Ni: 1,6 Gew.-%,
Mg: 1,7 Gew.-%,
Mn: 0,28 Gew.-%,
Fe: 0,4 Gew.-%,
Sb: 0,12 Gew.-%,
Co: 0,34 Gew.-%,
Zr: 0,16 Gew.-%,

Al mit unvermeidbaren Verunreinigungen: Rest.

Die daraus resultierenden Festigkeitswerte waren:

Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Al-Legierung im Vergleich zu den bekannten eutektischen und übereutek­ tischen Kolben-Legierungen sind in der folgenden Tabelle angegeben, wobei Rp 0,2 die 0,2-Dehngrenze, Rm die Zug­ festigkeit und A5 die Bruchdehnung bedeuten. Die ent­ sprechenden Werte wurden bei Raumtemperatur, bei 200°C, 250°C bzw. 300°C gemessen.

Die verwendeten Legierungen befanden sich im Ver­ gütungszustand "T5" - warmausgelagert nach Abkühlen aus der Gießhitze - bzw. "T6" - vollvergütet -.

Tabelle 1

Die Prüfung der einzelnen Werte erfolgte jeweils nach einer Haltezeit von 10 min auf Prüftemperatur.

Aus dieser Tabelle ist ersichtlich, daß die 0,2-Dehn­ grenze der üblichen eutektischen Kolbenlegierungen im Zu­ stand T5 von 150 bis 190 N/m² bei Raumtemperatur um über 40% auf 90 bis 110 N/m² bei 250°C absinkt. Demge­ genüber liegt die Streckgrenze der erfindungsgemäßen Al-Legierung bereits bei Raumtemperatur mit 170 bis 210 N/m² auf einem höheren Niveau und sinkt bei 250°C um nur zirka 25% auf 130 bis 160 N/m² ab.

Claims (9)

1. Aluminium-Silicium-Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie 8,0 bis 10,9 Gew.-% Silicium,
mehr als 1,0 bis 2,0 Gew.-% Magnesium,
4,0 bis 5,9 Gew.-% Kupfer,
1,0 bis 3,0 Gew.-% Nickel,
0,2 bis 0,4 Gew.-% Mangan,
weniger als 0,5 Gew.-% Eisensowie mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe:
Antimon, Zirkonium, Titan, Strontium, Kobalt, Chrom und Vanadium, wobei mindestens eines dieser Elemente in einer Menge von mehr als 0,3 Gew.-% vorhanden ist und wobei die Summe dieser Elemente weniger als 0,8 Gew.-% beträgt, und Aluminium als Rest mit unvermeidbaren Verunreinigungen umfaßt.

2. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Silicium, Magnesium und Kupfer in den folgenden Gewichtsverhältnissen vorhanden sind: Silicium : Magnesium = 5 bis 10
Silicium : Kupfer = 1,5 bis 2
15,0 Gew.-% < Cu + Si + Mg < 19,0 Gew.-%.

3. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente Antimon, Zirkonium, Titan, Strontium, Kobalt, Chrom und Vanadium in den folgenden Mengen enthalten sind: 0 bis 0,3 Gew.-% Antimon,
0 bis 0,5 Gew.-% Zirkonium,
0 bis 0,4 Gew.-% Titan,
0 bis 0,1 Gew.-% Strontium,
0 bis 0,5 Gew.-% Kobalt,
0 bis 0,1 Gew.-% Chrom,
0 bis 0,1 Gew.-% Vanadium.

4. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend: 9,8 bis 10,5 Gew.-% Silizium,
4,9 bis 5,5 Gew.-% Kupfer,
1,5 bis 2,2 Gew.-% Nickel,
1,5 bis 1,9 Gew.-% Magnesium,
0,2 bis 0,3 Gew.-% Mangan,
<0,5 Gew.-% Eisen,
0,1 bis 0,2 Gew.-% Antimon,
0,3 bis 0,4 Gew.-% Kobalt,
0,15 bis 0,25 Gew.-% Zirkonium,Rest Aluminium sowie unvermeidbare Verunreinigungen.

5. Verwendung einer Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für bei erhöhten Temperaturen mechanisch hoch beanspruchte Bauteile.

6. Verwendung nach Anspruch 5 für Kolben.

7. Verwendung nach Anspruch 5 für gegossene Kolben.

8. Verwendung nach Anspruch 5 für Verbrennungskraft­ maschinen, mit einem Kolben.

9. Verwendung nach Anspruch 5 für Motorblöcke, Kom­ pressorengehäuse oder Zylinderköpfe.