DE69802017T2

DE69802017T2 - Al-Legierung mit Silizium für Kolben in Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE69802017T2
Application number: DE1998602017
Authority: DE
Inventors: Simon Barnes; Simon Thomas Gazzard; Jonathan David Philby
Original assignee: Federal Mogul Bradford Ltd
Current assignee: Federal Mogul Bradford Ltd
Priority date: 1997-12-20
Filing date: 1998-12-15
Publication date: 2002-03-21
Anticipated expiration: 2018-12-16
Also published as: EP0924310A1; GB2332448B; GB2332448A; EP0924310B1; DE69802017D1; GB9726840D0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Aluminium- Siliziumlegierung. Die Legierung hat eine Verwendung bei der Herstellung von Kolben, insbesondere von Kolben zur Verwendung in Verbrennungskraftmaschinen.
Ein zufriedenstellendes Kolbenmaterial muß zahlreichen, unterschiedlichen Erfordernissen genügen. In der Verwendung werden Kolben sowohl statischen als auch dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt, während sie bei Einspritztemperaturen von unter 0º bis zu 400ºC arbeiten. Diese Spannungen bzw. Beanspruchungen werden auch in unterschiedlichen Bereichen des Kolbens differieren; beispielsweise wird ein Verbrennungsbecher bzw. Verbrennungsraum in einem Kolben unterschiedlichen thermischen und mechanischen Beanspruchungen als Kolbenbolzenlager bzw. -augen unterworfen. Der Kolben muß auch eine niedrige thermische Ausdehnung besitzen und gute Trage- bzw. Lagercharakteristika mit marginaler Schmierung über den angemerkten Temperaturbereich besitzen. Auch muß das Kolbenmaterial selbst gewähren, daß es in einen Kolben, beispielsweise durch Gießen mit nachfolgender Bearbeitung, geformt wird.
Bekannte Gußlegierungen für die Kolbenherstellung umfassen jene, die in der japanischen Patentanmeldung JP1108339-A geoffenbart sind. Unter den darin geoffenbarten Legierungen ist eine auf Aluminium basierende Legierung, enthaltend Silizium von 9 bis 12%, Kupfer von 0,5 bis 2,5%, Magnesium von 0,8 bis 2,0%, Kobalt von 0,5 bis 3%, Nickel von 1 bis 3%, Eisen von 0,3 bis 1,0%, Mangan von 0,1 bis 1,0% und Titan von 0,01 bis 0,15%, wobei der Rest Aluminium und unvermeidbare Unreinheiten bzw. Verunreinigungen sind. Diese Legierung ist jene, die eine hohe Festigkeit von 150 bis 250ºC aufweist.
Eine weitere Legierung ist in DE 44 04 420 geoffenbart, welche eine Anwendung als eine Legierung zur Verwendung in der Herstellung von Kolben für ein Auto haben kann. Die Legierung enthält von 8,0 bis 10,9% Silizium, von 0,8 bis 2,0% Magnesium, von 4,0 bis 5,9% Kupfer, von 1,0 bis 3,0 % Nickel, von 0,2 bis 0,4% Mangan, weniger als 0,5% Eisen und wenigstens ein Element aus der Gruppe, enthaltend Antimon, Zirkon, Titan, Strontium, Kobalt, Chrom und Vanadium, wobei wenigstens ein Element in einer Menge von mehr als 0,8% vorhanden ist, und die Summe der Elemente in dieser Gruppe nicht mehr als 0,8% beträgt, wobei der Rest der Legierung Aluminium und unvermeidbare Unreinheiten sind.
Die vorliegende Erfindung hat einen Vorteil dahingehend, daß sie eine gute Festigkeit über den Temperaturbereich, in welchem ein aus der Legierung gefertigter Kolben arbeitet, zur Verfügung stellt.
Die Legierung der vorliegenden Erfindung ist aus einer Gruppe von Aluminiumlegierungen gewählt, wobei jedes die Legierungskomponentenelement in Gew.-% wie folgt vorhanden ist:
10,5 bis 13,5 Silizium
2,0 bis weniger als 4,0 Kupfer
0,8 bis 1,5 Magnesium
0,5 bis 2,0 Nickel
0,3 bis 0,9 Kobalt
wenigstens 20 ppm Phosphor
und entweder
(i) 0,05 bis 0,2 Titan; oder
(ii) wenigstens eines der folgenden
bis zu 0,2 Zirkon
bis zu 0,2 Vanadium;
in jedem Fall mit dem Rest Aluminium und unvermeidbaren Unreinheiten bzw. Verunreinigungen.
Vorzugsweise können auch Zink, Blei und Zinn in bis zu 0,15 Gew.-% vorhanden sein. Noch bevorzugter übersteigt die Gesamtmenge an Blei und Zinn nicht 0,15 Gew.-%.
Das Kupfer erlaubt eine Kaltaushärtung der Legierung. Ein Anstieg der Menge an Kupfer über den angegebenen Grenzwert reduziert die Hochtemperatur-Ermüdungsfestigkeit der Legierung aufgrund der Ausbildung von großen Kupfer-Nickel-reichen, intermetallischen Kristallen. Ein Anstieg in dem Kupferniveau kann auch zu Schrumpfporositätsproblemen bei größeren Güssen führen.
Das Magnesium ist vorhanden, um zu der Festigkeit der Legierung beizutragen. Jedoch wird ein Anstieg der Menge an Magnesium zu größeren, intermetallischen Verbindungen in den gegossenen Zustand führen, wobei diese jedoch nach der Vergütung entfernt werden. Das Magnesium wird in einer Menge zugesetzt, wo es eine gute Verfestigung nach einem Vergüten durch die Ausbildung von Mg&sub2;Si zur Verfügung stellt. Höhere Magnesiummengen bzw. -niveaus führen zu größeren Oxidationsverlusten während des Gußverfahrens und daher zu einer größeren Tendenz für das Gußmetall, Oxiddefekte zu enthalten.
Das Nickel trägt zu der Hochtemperaturfestigkeit der Legierung durch die Ausbildung von thermisch stabilen, intermetallischen Kristallen bei. Ein Übersteigen der angegebenen Grenzwerte wird jedoch die Hochtemperatur-Ermüdungsfestigkeit der Legierung aufgrund der Ausfällung von groben, intermetallischen Kristallen reduzieren. Diese Tendenz wird durch die niedrigen Kühlgeschwindigkeiten bzw. -raten, die mit dem Gießen von großen Kolben verbunden ist, schlechter.
Der Kobaltgehalt ist gewählt, um die Ausbildung einer großen Anzahl von kleinen, intermetallischen Verbindungen bzw. Kristallen zu ermöglichen. Davon wird angenommen, daß die mechanischen Eigenschaften der Legierung bei 350ºC verbessert werden. Zusätzlich wird von der Anwesenheit des Kobalts in der Aluminiumlegierung in den angeführten Mengen angenommen, daß sie das Ausbreitungsvermögen des Kupfers in dem Aluminium reduzieren, wodurch der Übervergütungsmechanismus der Legierung verlangsamt wird. Dies hat insbesondere Bedeutung, wenn der Betrieb eines Kolbenbolzenauges bzw. Kolbenbolzenlagers bei rund 200ºC berücksichtigt wird. Jedoch wird von der Anwesenheit von Kobalt auch angenommen, daß es zu einem Anstieg der Ermüdungsfestigkeit der Legierung bei 350ºC führt. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn der Betrieb eines Verbrennungsraums eines Kolbens in Betracht gezogen wird, welcher üblicherweise derartigen Temperatur unterworfen wird.
Das Titan oder Zirkon und/oder Vanadium sind jeweils als ein Kornverfeinerungszusatz vorhanden.
Vorzugsweise kann die Legierung zu Lasten von Aluminium zusätzlich wenigstens eines der folgenden enthalten
bis zu 0,5 Eisen
bis zu 0,25 Mangan
bis zu 0,05 Chrom und
bis zu 15 ppm von jeweils Calcium, Natrium, Strontium und Lithium.
Die vorliegende Erfindung wird nun in lediglich beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die folgenden, erläuternden Beispiele beschrieben.

Beispiel 1

Die Verwendung einer spezifischen Legierungszusammensetzung bei der Herstellung von geschmiedeten Kolben hat sich als insbesondere vorteilhaft gezeigt. Die Metallegierungszusammensetzungen dieser Legierung mit den zusammensetzenden Elementen, in Gew.-% angegeben, sind wie folgt:
10,5 bis 13,5 Silizium
2,0 bis weniger als 4,0 Kupfer
0,8 bis 1,5 Magnesium
0,5 bis 2,0 Nickel
0,3 bis 0,9 Kobalt
0,05 bis 0,2 Titan
wenigstens 20 ppm Phosphor
mit dem Rest Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen.

Beispiel 2

Eine andere Legierung innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung, von welcher auch gefunden wurde, daß sie bei der Herstellung von Kolben verwendbar ist, besitzt die folgende Zusammensetzung, wobei die zusammensetzenden Elemente, in Gew.-% angegeben, wie folgt sind:
10,5 bis 13,5 Silizium
2,0 bis weniger als 4,0 Kupfer
0,8 bis 1,5 Magnesium
0,5 bis 2,0 Nickel
0,3 bis 0,9 Kobalt
wenigstens 20 ppm Phosphor und wenigstens eines der folgenden
bis zu 0,2 Zirkon
bis zu 0,2 Vanadium;
mit dem Rest Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen.

Beispiel 3

Eine andere Legierung innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung, von welcher auch gefunden wurde, daß sie bei der Herstellung von Kolben verwendbar ist, besitzt die folgende Zusammensetzung, wobei die zusammensetzenden Elemente, in Gew.-% angegeben, wie folgt sind:
10,5 bis 11,5 Silizium
2,5 bis 3,5 Kupfer
0,8 bis 1,5 Magnesium
0,5 bis 1,5 Nickel
0,3 bis 0,7 Kobalt
0,05 bis 0,20 Titan
bis zu 0,2 Zirkon
bis zu 0,2 Vanadium
bis zu 0,50 Eisen
bis zu 0,25 Mangan
bis zu 0,05 Chrom
bis zu 0,15 Zink
bis zu 0,15 Blei
bis zu 0,15 Zinn, die Gesamtheit von Blei und Zinn übersteigt nicht 0,15
wenigstens 20 ppm Phosphor
bis zu 15 ppm von jeweils Calcium, Natrium, Strontium und Lithium
mit dem Rest Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen.
Die Legierungen der vorliegenden Erfindung können zusätzlich zu ihrer Verwendung bei der Herstellung von geschmiedeten Kolben in der Herstellung von dauerformgegossenen Kolben verwendet werden.

Claims

1. Aluminiumlegierung, in welcher die Elementbestandteile in Gew.-% wie folgt vorliegen:

10,5 bis 13,5 Silicium

2,0 bis weniger als 4,0 Kupfer

0,8 bis 1,5 Magnesium

0,5 bis 2,0 Nickel

0,3 bis 0,9 Kobalt

wenigstens 20 ppm Phosphor

und entweder

(i) 0,05 bis 0,2 Titan; oder

(ii) wenigstens eines der folgenden

bis zu 0,2 Zirkon

bis zu 0,2 Vanadium;

in jedem Fall mit dem Rest Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Zink, Blei und Zinn ebenfalls in bis zu 0,15 Gew.-% als unvermeidbare Verunreinigungen vorhanden sein können.

3. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtmenge an Blei und Zinn 0,15 Gew.-% nicht übersteigt.

4. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung zu Lasten von Aluminium gegebenenfalls wenigstens eines der folgenden enthalten kann

bis zu 0,5 Eisen

bis zu 0,25 Mangan

bis zu 0,05 Chrom und

bis zu 15 ppm jeweils von Calcium, Natrium, Strontium und Lithium.

5. Kolben, hergestellt aus einer Legierung nach einem vorhergehenden Anspruch.

6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben durch Schmieden hergestellt ist.

7. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben durch Dauerformguß hergestellt ist.