EP1718778A1 - Werkstoff auf der basis einer aluminium-legierung, verfahren zu seiner herstellung sowie verwendung hierfür - Google Patents

Werkstoff auf der basis einer aluminium-legierung, verfahren zu seiner herstellung sowie verwendung hierfür

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EP1718778A1 EP05714972A EP05714972A EP1718778A1 EP 1718778 A1 EP1718778 A1 EP 1718778A1 EP 05714972 A EP05714972 A EP 05714972A EP 05714972 A EP05714972 A EP 05714972A EP 1718778 A1 EP1718778 A1 EP 1718778A1
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    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0084—Pistons  the pistons being constructed from specific materials

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a material based on an aluminum alloy according to the preamble of claim 1, a material obtainable with this method and the use of this material.
  • pistons have typically been made from cast aluminum-silicon alloys. Because of the good casting properties, pistons based on aluminum-silicon alloys can be manufactured relatively cheaply and easily using the permanent mold casting process.
  • These materials are typically with silicon contents between 12 and 18 wt .-%, in individual cases also up to 24 wt .-%, and with admixtures of magnesium between 1 to 1.5 wt .-%, copper between 1 and 3 wt .-% % and often nickel alloyed between 1 to 3 wt .-%.
  • z. B. according to US Pat. No. 6,419,769 A1 recommends setting the copper content between 5.6 and 8.0% by weight.
  • FR 2 690 957 A1 the strength of such an alloy is further increased by adding the elements titanium, zirconium and vanadium. However, the alloying of these strength-increasing elements increases the density of the material.
  • a heat-resistant alloy with a reduced specific weight is described in patent specification DE 747 355 as being particularly advantageous for pistons.
  • This material is characterized by a magnesium content between 4 and 12 wt .-% and a silicon content between 0.5 and 5 wt .-%, the silicon content should always be less than half the magnesium content. Furthermore, between 0.2 and 5% by weight of copper and / or nickel are added. Even without the addition of strength-enhancing components, this material should be characterized by improved heat resistance.
  • the magnesium is therefore added depending on the silicon content desired in each case according to the above formula. Some of the magnesium (1.73xSi content) reacts directly with silicon to form magnesium silicide, the remaining 1.5 to 6.0% by mass of magnesium dissolve in the aluminum mixed crystal and, after suitable heat treatment together with copper, increase the strength of the material.
  • the material can contain the usual impurities in aluminum alloys. In addition, the alloying of further alloying elements could appear sensible for the purpose of further strengthening. It is known e.g.
  • the material obtainable by the process according to the invention is distinguished by excellent strength properties which, even at elevated temperatures, prove to be superior to the piston alloys customary today.
  • Advantageous further developments result from the subclaims.
  • the base alloy can be treated with all known hot forming processes, for example extrusion, hot rolling or forging. Hot forming should be carried out with a degree of deformation greater than 5 times.
  • the aluminum or base alloy used should only contain a small proportion of foreign elements, and not more than 1% by mass per foreign element.
  • a heat treatment is advantageously carried out after the hot shaping. This can be done in a manner known per se by solution annealing, quenching and hot aging.
  • the material according to the invention is suitable for the production of all types of components, in particular pistons for internal combustion engines.
  • the resulting raw material is pre-heated to 400 to 500 ° C warms and 10 times formed by extrusion and then hardened. For this purpose, a heat treatment comprising solution annealing at 500 ° C. for 2 hours, quenching in water and 10 hours tempering at 210 ° C. is carried out
  • a heat treatment comprising solution annealing at 500 ° C. for 2 hours, quenching in water and 10 hours tempering at 210 ° C. is carried out.
  • Beryllium is added to reduce the tendency of the melt to oxidize.
  • Magnesium phosphate is used to refine the grain of the primarily solidifying magnesium silicide. Iron was analyzed as an impurity.
  • the finished material shows the following properties:
  • the material according to the invention is distinguished from the British aluminum standard 2618 by a lower density and an increased modulus of elasticity.
  • the static strength properties achieved match the high-strength wrought alloy 2618.
  • the fatigue strength determined clearly exceeds the values achieved with the wrought alloy 2618.
  • the material according to the invention is superior in both static and dynamic testing. This combination of properties makes it particularly suitable for the manufacture of pistons for internal combustion engines.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs, wobei eine Aluminium-Basislegierung mit einem Gehalt an 5,5 bis 13,0 Masse-% Silizium und einem Gehalt an Magnesium gemäss der Formel Mg [Masse-%] = 1,73 x Si [Masse-%] + m mit m = 1,5 bis 6,0 Masse-% Magnesium sowie einem Kupfergehalt zwischen 1,0 und 4,0 Masse-% hergestellt wird, die Basislegierung danach zumindest einmal warmumgeformt sowie nachfolgend einer Wärmebehandlung bestehend aus Lösungsglühen, Abschrecken und Warmauslagern unterzogen wird. Das Magnesium wird in Abhängigkeit vom jeweils gewünschten Siliziumgehalt gemäss der oben genannten Formel zugesetzt. Der nach dem erfindungsgemässen Verfahren erhältliche Werkstoff zeichnet sich durch eine geringe Dichte und eine hohe Festigkeit aus.

Description

Werkstoff auf der Basis einer Aluminium-Legierung, Verfahren zu seiner Herstellung sowie Verwendung hierfür
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs auf der Basis einer Aluminium-Legierung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , einen mit diesem Verfahren erhältlichen Werkstoff sowie eine Verwendung dieses Werkstoffs.
In den letzten Jahren ist bei Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge verstärkt ein Trend hin zu noch leichteren und kompakteren Aggregaten mit gesteigerten spezifischen Leistungen zu beobachten. Dies führt unter anderem auch zu einer immer stärkeren Belastung der hierfür eingesetzten Kolben. Diesem Trend kann sowohl durch geänderte Konstruktionen, aber auch vor allem durch die Entwicklung neuer geeigneter Werkstoffe Rechnung getragen werden. Im Vordergrund steht dabei der Wunsch nach hoch warmfesten und spezifisch leichten Materialien.
Bis jetzt werden Kolben üblicherweise aus Aluminium-Silizium-Gusslegierungen hergestellt. Wegen der guten Gießeigenschaften lassen sich Kolben auf der Basis von Aluminium-Silizium-Legierungen relativ preisgünstig und einfach im Kokillengussverfahren herstellen.
Diese Werkstoffe werden typischerweise mit Siliziumgehalten zwischen 12 und 18 Gew.-%, in Einzelfällen auch bis zu 24 Gew.-%, sowie mit Beimengungen von Magnesium zwischen 1 bis 1 ,5 Gew.-%, Kupfer zwischen 1 und 3 Gew.-% und häufig auch Nickel zwischen 1 bis 3 Gew.-% legiert. Um die Warmfestigkeit einer solchen Legierung zu verbessern, wird z. B. gemäß der US 6 419 769 A1 empfohlen, den Kupfergehalt zwischen 5,6 und 8,0 Gew.-% einzustellen. Nach der FR 2 690 957 A1 wird die Festigkeit einer derartigen Legierung durch Zugabe der Elemente Titan, Zirkonium und Vanadium zusätzlich gesteigert. Allerdings wird durch das Zulegieren dieser festigkeitssteigernden Elemente die Dichte des Werkstoffs erhöht.
Eine warmfeste Legierung mit reduziertem spezifischem Gewicht wird in der Patentschrift DE 747 355 als für Kolben besonders vorteilhaft beschrieben. Dieser Werkstoff zeichnet sich durch einen Magnesiumgehalt zwischen 4 und 12 Gew.-% und einen Siliziumgehalt zwischen 0,5 und 5 Gew.-% aus, wobei der Siliziumgehalt stets geringer als die Hälfte des Magnesiumgehalts sein soll. Ferner sind zwischen 0,2 und 5 Gew.-% Kupfer und/oder Nickel zulegiert. Dieser Werkstoff soll sich auch bei Verzicht auf die Zulegierung festigkeitssteigernder Komponenten durch eine verbesserte Warmfestigkeit auszeichnen.
In der DE 38 42 812 A1 wird ein Gussleichtwerkstoff auf Basis einer Aluminiumlegierung mit 5 bis 25 Masse-% Magnesiumsilizid beschrieben. Neben Magnesiumsilizid wird außerdem als vorteilhaft sowohl ein Überschuß von Silizium (bis 12 Masse%) als auch von Magnesium (bis 15 Masse%) betrachtet. Ferner können bis zu 5 Masse-% Kupfer, Nickel, Mangan und Kobalt zulegiert sein. In Unteranspruch 5 wird zusätzlich die Liquidustemperatur von <700°C im Dreistoffsystem Al-Si-Mg als begrenzendes Limit genannt. Vorteile bzw. Nachteile bei den mechanischen Eigenschaften, welche sich aus einem Überschuß von Magnesium bzw. Siliziums ergeben könnten werden nicht explizit erwähnt.
Diese bekannten Werkstoffe sind ausnahmslos Gusswerkstoffe. Es besteht allerdings auch ein Bedarf an Werkstoffen mit noch geringerer Dichte und noch höherer Festigkeit, die durch die ausschließliche Verwendung eines Gießverfahrens bisher nicht herstellbar sind.
Demgemäß ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs, wobei eine Aluminium-Basislegierung mit einem Gehalt zwischen 5,5 und 13,0 Masse-% Silizium, zusätzlich einem Gehalt an Magnesium gemäß der Formel Mg [Masse-%] = 1 ,73 x Si [Masse-%] + m mit m = 1 ,5 bis 6,0 Masse-% Magnesium sowie Kupfer mit einem Gehalt zwischen 1 ,0 und 4,0 Gew.% (Rest Aluminium) - erschmolzen, gegossen oder durch Sprühkompaktieren vorverdichtet und die Basislegierung anschließend zumindest einmal warmumgeformt wird, sowie nachfolgend einer Wärmebehandlung bestehend aus Lösungsglühen, Abschrecken und Warmauslagern unterzogen wird.
Das Magnesium wird also in Abhängigkeit vom jeweils gewünschten Siliziumgehalt gemäß der oben genannten Formel zugesetzt. Dabei reagiert ein Teil des Magnesiums (1 ,73xSi-Gehalt) direkt mit Silizium zu Magnesiumsilizid, die restlichen 1 ,5 bis 6,0 Masse-% Magnesium lösen sich im Aluminiummischkristall und bewirken nach geeigneter Wärmebehandlung zusammen mit Kupfer eine Festigkeitssteigerung des Werkstoffs. Der Werkstoff kann die in Aluminiumlegierungen üblichen Verunreinigungen enthalten. Zusätzlich könnte zum Zwecke einer weiteren Festigkeitssteigerung das Zulegieren weiterer Legierungselemente sinnvoll erscheinen. Bekannt ist z.B. die festigkeitssteigernde Wirkung kleiner Zugabemengen (0,05 bis 0,2% von Titan, Zirkon oder Vanadin (FR 2 690 957 A1), ebenso bekannt ist die Wirkung von 0,1 bis 0,5% Silber welches bei AICu-Legierungen sich positiv auf die Warmfestigkeitseigenschaften auswirkt. Ohne Nachteile für die mechanischen Eigenschaften wirkt sich die Zugabe von kleinen Gehalten (0,2 bis 2%) weiterer, der für viele Aluminium-Kupfer-Magnesiumlegierungen zusätzlich Verwendung findender Legierungselemente z.B. Nickel, Kobalt oder Mangan oder Eisen aus. Durch die Zugabe vorgenannter Elemente, wird jedoch zumeist die Dichte des beanspruchten Leichtbauwerkstoffes erhöht.
Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältliche Werkstoff zeichnet sich neben seiner geringen Dichte durch ausgezeichnete Festigkeitseigenschaften aus, die sich auch bei erhöhten Temperaturen gegenüber den heutigen gebräuchlichen Kolbenlegierungen als überlegen zeigen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Basislegierung kann mit allen bekannten Warmumformverfahren, bspw. Strangpressen, Warmwalzen oder Schmieden behandelt werden. Das Warmumformen sollte mit einem Umformgrad größer als 5-fach durchgeführt werden.
Um die Qualität des Werkstoffs nicht zu beeinträchtigen, sollte das verwendete Aluminium bzw. die Basislegierung Fremdelemente nur in einem geringen Anteil, und zwar nicht mehr als jeweils 1 Masse-% pro Fremdelement, enthalten.
Zur Erzielung maximaler Festigkeitseigenschaften wird vorteilhaft nach der Warmformgebung eine Wärmebehandlung durchgeführt. Diese kann auf an sich bekannte Weise durch Lösungsglühen, Abschrecken und Warmauslagern erfolgen.
Der erfindungsgemäße Werkstoff eignet sich zur Herstellung von Bauteilen aller Art, insbesondere von Kolben für Verbrennungsmotoren.
Ausführungsbeispiel 1:
Eine Legierung A der folgenden Zusammensetzung:
8,1 Masse-% Silizium 17,2 Masse-% Magnesium 1 ,7 Masse-% Kupfer 0,3 Masse-% Eisen 50 ppm Beryllium Rest Aluminium
wird hergestellt, indem die einzelnen Elemente nach den üblichen Verfahren legiert und mittels dem Verfahren des Sprühkompaktierens zu einem zylindrischen Block vergossen werden, Das resultierende Vormaterial wird auf 400 bis 500°C vorge- wärmt und durch Strangpressen 10-fach umgeformt und anschließend gehartet Dazu wird eine Wärmebehandlung, umfassend Losungsgluhen bei 500°C für 2 Stunden, Abschrecken in Wasser und 10 Stunden Anlassen bei 210°C durchgeführt
Beryllium wird zugegeben, um die Oxidationsneigung der Schmelze zu mindern Eisen wurde als Verunreinigung analysiert
Ausführungsbeispiel 2:
Eine Legierung B der folgenden Zusammensetzung
6.0 Masse-% Silizium 12,5 Masse-% Magnesium
2.1 Masse-% Kupfer 0,2 Masse-% Eisen 50 ppm Beryllium
1 ,0 Gew -% Magnesiumphosphat Rest Aluminium
wird hergestellt, indem die einzelnen Elemente nach den üblichen Verfahren legiert und mittels Stranggießen zu einem zylindrischen Block vergossen werden Das resultierende Vormateπal wird auf 400 bis 500°C vorgewärmt und durch Strangpressen 10-fach umgeformt und anschließend gehartet Dazu wird eine Wärmebehandlung, umfassend Losungsgluhen bei 500°C für 2 Stunden, Abschrecken in Wasser und 10 Stunden Anlassen bei 210°C durchgeführt
Beryllium wird zugegeben, um die Oxidationsneigung der Schmelze zu mindern, Magnesiumphosphat dient der Kornfeinung des primär erstarrenden Magnesiumsili- zids Eisen wurde als Verunreinigung analysiert Ausführungsbeispiel 3:
Eine Legierung C der folgenden Zusammensetzung:
12,9 Masse-% Silizium
25,1 Masse-% Magnesium
1 ,9 Masse-% Kupfer
0,15 Masse-% Eisen
50 ppm Beryllium
0,9 Gew.-% Magnesiumphosphat
Rest Aluminium
wird hergestellt, indem die einzelnen Elemente nach den üblichen Verfahren legiert und mittels Stranggießen zu einem zylindrischen Block vergossen werden. Das resultierende Vormaterial wird auf 400 bis 500°C vorgewärmt und durch Strangpressen 10-fach umgeformt und anschließend gehärtet. Dazu wird eine Wärmebehandlung, umfassend Lösungsglühen bei 500°C für 2 Stunden, Abschrecken in Wasser und 10 Stunden Anlassen bei 210°C durchgeführt.
Beryllium wird zugegeben, um die Oxidationsneigung der Schmelze zu mindern, Magnesiumphosphat dient der Kornfeinung des primär erstarrenden Magnesiumsili- zids. Eisen wurde als Verunreinigung analysiert.
Der fertige Werkstoff zeigt die folgenden Eigenschaften:
Der erfindungsgemäße Werkstoff zeichnet sich gegenüber dem britischen Aluminium-Standard 2618 durch eine niedrigere Dichte und einem erhöhten E-Modul aus. Die erzielten statischen Festigkeitseigenschaften reichen an die hochfeste Knetlegierung 2618 heran. Die ermittelte Ermüdungsfestigkeit übertrifft die mit der Knetlegierung 2618 erzielten Werte deutlich. Gegenüber der Gusslegierung aus der US 6 419 769 A ist der erfindungsgemäße Werkstoff sowohl bei statischer als auch bei dynamischer Prüfung überlegen. Er eignet sich aufgrund dieser Eigenschaftskombination in besonderer Weise zur Herstellung von Kolben für Verbrennungsmotoren.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs, wobei eine Aluminium-Basislegierung mit einem Gehalt an 5,5 bis 13,0 Masse-% Silizium und einem Gehalt an Magnesium gemäß der Formel Mg [Masse-%] = 1 ,73 x Si [Masse-%] + m mit m = 1 ,5 bis 6,0 Masse-% Magnesium sowie mit einem Kupfergehalt zwischen 1 ,0 und 4,0 Masse-% hergestellt wird, die Basislegierung danach zumindest einmal warmumgeformt, sowie nachfolgend einer Wärmebehandlung bestehend aus Lösungsglühen, Abschrecken und Warmauslagern unterzogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Basislegierung mittels Sprühkompaktieren hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Basislegierung mittels dem Verfahren des Stranggießens hergestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Basislegierung mittels dem Verfahren des Kokillengießens hergestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Basislegierung zum Zwecke der Kornfeinung des sich bildenden Primär-Magnesium- silizids 0,5 — 1 ,5 Gew.% Magnesiumphosphat enthält.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basislegierung mittels Strangpressen, Warmwalzen oder Schmieden warmumgeformt wird. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmumformen mit einem Umformgrad großer als 5-fach durchgeführt wird
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 1 ,5 bis 3,0 Masse-% Kupfer zulegiert werden
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Aluminium nicht mehr als jeweils 1 Masse-% Fremdelemente enthalt
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff 2h bei 500°C durchgewärmt, in Wasser abgeschreckt und anschließend 10 h bei 210°C angelassen wird
Werkstoff auf Basis einer Aluminium-Legierung, erhältlich durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10
Verwendung des Werkstoffs nach Anspruch 11 zur Herstellung von Bauteilen
Bauteil nach Anspruch 12, namhch Kolben für Verbrennungsmotoren
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