EP1802781B1 - Legierung auf basis von aluminium sowie formteil aus dieser legierung - Google Patents

Legierung auf basis von aluminium sowie formteil aus dieser legierung Download PDF

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EP1802781B1
EP1802781B1 EP05801438A EP05801438A EP1802781B1 EP 1802781 B1 EP1802781 B1 EP 1802781B1 EP 05801438 A EP05801438 A EP 05801438A EP 05801438 A EP05801438 A EP 05801438A EP 1802781 B1 EP1802781 B1 EP 1802781B1
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aluminum
nickel
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Hans-Günther KECK
Bernhard Commandeur
Guido Gebauer
Thomas Dickmann
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Peak Werkstoff GmbH
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to alloys based on aluminum, as well as moldings of such alloys.
  • JP 05 070 878 A1 describes an aluminum based alloy for use in a die casting process, consisting in weight proportions of 20% to 35% silicon, 0.5% to 5% copper, 0.5% to 2% magnesium, 0.1% to 10% of one or more of the elements selected from the group consisting of nickel, iron and manganese, 0.1% to 3% titanium and / or zirconium, as well as balance aluminum and unavoidable impurities.
  • the described example alloys each have a high magnesium content, which is above 0.6% in each example alloy.
  • the alloy is characterized by high strength at high temperatures and a low coefficient of thermal expansion.
  • EP 0 366 134 A1 describes an aluminum based alloy for use in extrusion processes consisting of 5% to 30% silicon by weight, 0.5% to 10% by weight of at least one element selected from the group consisting of iron, nickel, chromium and manganese, those selected from the group Together not exceed 20% by weight, 0.3% to 3% of at least one element selected from the group consisting of molybdenum, zirconium, vanadium and titanium, the elements selected from this group not exceeding 5% by weight together, and Rest aluminum.
  • Magnesium is not intended as an ingredient.
  • the alloy is characterized by a high Festlgkelt at high temperatures.
  • a particularly preferred alloy according to the invention consists of 25% silicon, 2.5% iron, 2.5% copper, 0.5% magnesium, 0.15% titanium, 2.5% nickel, 0.3% cobalt and as the remainder aluminum except for usual impurities.
  • Another alloy consists of 25% silicon, 4% iron, 1.5% copper, 0.5% manganese, 0.5% magnesium, 0.3% chromium, 0.25% titanium, 3% nickel and the balance aluminum except for usual impurities.
  • Another alloy consists of 25% silicon, 2.5% iron, 5% copper, 0.5% titanium, 2% nickel, 0.5% cobalt, 0.4% zirconium and the balance aluminum except for usual impurities.
  • Another alloy consists of 25% silicon, 1.5% iron, 5% copper, 0.3% chromium, 0.25% titanium, 2% nickel, 0.3% cobalt, 0.4% zirconium, 0.4% antimony as well as the rest aluminum up to common impurities.
  • Another alloy consists of 25% silicon, 4% iron, 0.5% magnesium, 0.3% chromium, 0.15% titanium, 3% nickel, 0.2% zirconium, as well as the balance aluminum except for usual impurities.
  • Another alloy consists of 25% silicon, 3.5% iron, 1% copper, 0.5% magnesium, 0.3% chromium, 0.15% titanium, 3% nickel, 0.5% cobalt, 0.2 % Zirconium, as well as the rest of aluminum except for usual impurities.
  • Another alloy consists of 25% silicon, 3.5% Elsen, 1% copper, 0.5% manganese, 0.5% magnesium, 0.3% chromium, 0.15% titanium, 3% nickel, 0.2 % Zirconium, as well as the rest of aluminum except for usual impurities.
  • Another alloy consists of 25% silicon, 3.5% iron, 1% copper, 0.5% manganese, 0.3% chromium, 0.15% titanium, 3% nickel, 0.2% zirconium, and the balance Aluminum except for usual impurities.
  • alloys according to the invention have further constituents at most in the amount of impurities which are technically conditioned and are generally unavoidable.
  • the alloys according to the invention are particularly preferably characterized by a preparation in which a high cooling rate is present.
  • the alloy can be produced by means of spray compacting, with the method of spray compacting generally having a particularly high cooling rate.
  • conventional powder metallurgical processes or casting technology can also be used Procedures are applied.
  • the high solidification rate of the alloy due to the high cooling rate favors the precipitation of the aluminides in a more globular form than in a needle-like form, as would be the case at slow solidification rates.
  • the object of the invention is achieved for a molded part characterized in that the molded part consists at least partially of an alloy according to one of claims 1 or 2.
  • the molded part may also be a part which only partially consists of an alloy according to the invention which, for example, is encapsulated by another material in a further processing step.
  • the molded part may be a cylinder block of a motor vehicle in which cylinder liners are made of an alloy according to the invention and encapsulated with another alloy.
  • the molding can be produced in a particularly advantageous manner by means of spray compacting and optionally further process steps.
  • the alloy L6 which contains no copper alone, has a particularly high solidus temperature and can preferably be used for corresponding requirements.

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Description

  • Die Erfindung betrifft Legierungen auf Basis von Aluminium, sowie Formteile aus solchen Legierungen.
  • Insbesondere im Bereich von Verbrennungsmotoren moderner Kraftfahrzeuge werden zunehmend Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe gestellt, wobei geringes Gewicht und hohe thermische sowie mechanische Belastungen gefordert sind. Dies folgt unter anderem aufgrund höherer Verbrennungsdrücke und Verbrennungstemperaturen sowie geringerer Stegbreite zwischen den Zylindern. Bereits eingesetzte, sprühkompaktierte Leichtmetalllegierungen wie etwa AlSi25Cu4Mg werden Insbesondere bei Dieselanwendungen den aktuellen Anforderungen an Zylinderlaufbuchsen nicht mehr gerecht. Auch andere Bauteile, die nicht eingegossen werden, sondern durch mechanische Bearbeitung und/oder durch ein Warmumformverfahren hergestellt werden, genügen den gestiegenen Anforderungen im Motorenbau nicht mehr. Hierbei handelt es sich besonders um hoch beanspruchte Teile wie Kolben oder Pleuel.
  • JP 05 070 878 A1 beschreibt eine Legierung auf Aluminiumbasis für die Verwendung in einem Druckgussverfahren, bestehend in Gewichtsanteilen aus 20% bis 35% Silizium, 0,5% bis 5% Kupfer, 0,5% bis 2% Magnesium, 0,1 % bis 10% eines oder mehrerer der Elemente ausgewählt aus der Gruppe umfassend Nickel, Eisen und Mangan, 0,1% bis 3% Titan und/oder Zirkon sowie Rest Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen. Die beschriebenen Beispiel-Legierungen weisen jeweils einen hohen Magnesiumgehalt auf, der in jeder Beispiellegierung oberhalb von 0,6% liegt. Die Legierung zeichnet sich durch hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen und einen geringen Wärmeausdehnungskoefflzienten aus.
  • EP 0 366 134 A1 beschreibt eine Legierung auf Aluminiumbasis zur Verwendung in Strangpressverfahren, bestehend in Gewichtsanteilen aus 5% bis 30% Silizium, 0,5% bis 10% wenigstens eines Elements ausgewählt aus der Gruppe umfassend Eisen, Nickel, Chrom und Mangan, wobei die aus dieser Gruppe ausgewählten Elemente zusammen einen Gewichtsanteil von 20% nicht überschreiten, 0,3% bis 3% wenigstens eines Elements ausgewählt aus der Gruppe umfassend Molybdän, Zirkon, Vanadium und Titan, wobei die aus dieser Gruppe ausgewählten Elemente zusammen einen Gewichtsanteil von 5% nicht überschreiten, sowie Rest Aluminium. Magnesium ist nicht als Bestandteil vorgesehen. Die Legierung zeichnet sich durch eine hohe Festlgkelt bei hohen Temperaturen aus.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Legierung auf Basis von Aluminium anzugeben, die hohe mechanische Kennwerte, insbesondere bei hohen Temperaturen aufweist. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Formteil aus einer solchen Legierung anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird erfingdungsgemäß mit den Legierungen gemäß Anspruch 1 gelöst,
  • Eine ihren Eigenschaften nach besonders bevorzugte erfindungsgemäße Legierung besteht aus 25% Silizium, 2,5% Eisen, 2,5% Kupfer, 0,5% Magnesium, 0,15% Titan, 2,5% Nickel, 0,3% Kobalt sowie als Rest Aluminium bis auf übliche Verunreinigungen.
  • Eine weitere Legierung besteht aus 25% Silizium, 4% Eisen, 1,5% Kupfer, 0,5% Mangan, 0,5% Magnesium, 0,3% Chrom, 0,25% Titan, 3% Nickel sowie als Rest Aluminium bis auf übliche Verunreinigungen.
  • Eine weitere Legierung besteht aus 25% Silizium, 2,5% Eisen, 5% Kupfer, 0,5% Titan, 2% Nickel, 0,5% Kobalt, 0,4% Zirkon sowie als Rest Aluminium bis auf übliche Verunreinigungen.
  • Eine weitere Legierung besteht aus 25% Silizium, 1,5% Eisen, 5% Kupfer, 0,3% Chrom, 0.25% Titan, 2% Nickel, 0,3% Kobalt, 0,4% Zirkon, 0,4% Antimon sowie als Rest Aluminium bis auf übliche Verunreinigungen.
  • Eine weitere Legierung besteht aus 25% Silizium, 4% Eisen, 0,5% Magnesium, 0,3% Chrom, 0,15% Titan, 3% Nickel, 0,2% Zirkon, sowie als Rest Aluminium bis auf übliche Verunreinigungen.
  • Eine weitere Legierung besteht aus 25% Silizium, 3,5% Eisen, 1 % Kupfer, 0,5% Magnesium, 0,3% Chrom, 0,15% Titan, 3% Nickel, 0,5% Kobalt, 0,2% Zirkon, sowie als Rest Aluminium bis auf übliche Verunreinigungen.
  • Eine weitere Legierung besteht aus 25% Silizium, 3,5% Elsen, 1% Kupfer, 0,5% Mangan, 0,5% Magnesium, 0,3% Chrom, 0,15% Titan, 3% Nickel, 0,2% Zirkon, sowie als Rest Aluminium bis auf übliche Verunreinigungen.
  • Eine weitere Legierung besteht aus 25% Silizium, 3,5% Eisen, 1% Kupfer, 0,5% Mangan, 0,3% Chrom, 0,15% Titan, 3% Nickel, 0,2% Zirkon, sowie als Rest Aluminium bis auf übliche Verunreinigungen.
  • Die vorgenannten erfindungsgemäßen Legierungen weisen weitere Bestandteile höchstens in Höhe von technisch bedingten und grundsätzlich nicht vermeidbaren Verunreinigungen auf.
  • Besonders bevorzugt sind die erfindungsgemäßen Legierungen durch eine Herstellung gekennzeichnet, bei der eine hohe Abkühlrate vorliegt. Insbesondere bevorzugt kann die Legierung mittels Sprühkompaktierung hergestellt sein, wobei bei der Methode des Sprühkompaktierens im allgemeinen eine besonders hohe Abkühlrate vorliegt. Alternativ können aber auch herkömmliche pulvermetallurgische Verfahren oder auch gießtechnische Verfahren angewendet werden. Die hohe Erstarrungsgeschwindigkeit der Legierung aufgrund der hohen Abkühlrate bevorzugt die Ausscheidung der Aluminide in einer eher globolitischen Form als In einer nadeligen Form, wie dies bei langsamen Erstarrungsgeschwindigkeiten der Fall wäre.
  • Dadurch wird ein festigungssteigender Beitrag zu den Legierungen geleistet, ohne dass diese verspröden.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird für ein Formteil dadurch gelöst, dass das Formteil zumindest teilweise aus einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 besteht. Dabei kann es sich bei dem Formteil auch um ein Teil handeln, das nur teilweise aus einer erfindungsgemäßen Legierung besteht, welche beispielsweise in einem weiteren Verarbeitungsschritt durch ein anderes Material umgossen wird. Insbesondere kann es sich bei dem Formteil um einen Zylinderblock eines Kraftfahrzeuges handeln, bei dem Zylinder-Laufbuchsen aus einer erfindungsgemäßen Legierung bestehen und mit einer anderen Legierung umgossen wurden. Insbesondere vorteilhaft kann dabei das Formteil mittels Sprühkompaktieren sowie gegebenenfalls weiterer Verfahrensschritte hergestellt werden.
  • Weitere Vorteile und Merkmale einer erfindungsgemäßen Legierung und eines erfindungsgemäßen Formteils ergeben sich aus den nachfolgend geschilderten Ausführungsbeispielen sowie den abhängigen Ansprüchen.
  • Nachfolgend werden die erfindungsgemäßen Legierungen näher beschrieben.
  • Die mengenmäßigen Anteile der verschiedenen metallischen Komponenten der erfindungsgemäßen Legierungen L1 und L3 bis L9 ergeben sich aus nachfolgender Tabelle, wobei die Angaben über die Anteile jeweils in GewichtsProzent sind:
    Si Fe Cu Mn Mg Cr Ti Ni Co Zr Sb
    L1 25 2,5 2,5 0,5 0,15 2,5 0,3
    L3 25 4 1,5 0,5 0,5 0,3 0,25 3
    L4 25 2,5 5 0,5 2 0,5 0,4
    L5 25 1,5 5 0,3 0,25 2 0,3 0,4 0,4
    L6 25 4 0,5 0,3 0,15 3 0,2
    L7 25 3,5 1 0,5 0,3 0,15 3 0,5 0,2
    L8 25 3,5 1 0,5 0,5 0,3 0,15 3 0,2
    L9 25 3,5 1 0,5 0,3 0,15 3 0,2
  • Zu diesen Legierungen haben sich in Versuchen nachfolgend beschriebene bzw. tabellarisch aufgeführte mechanische und thermische Eigenschaften (statische Festigkelt, dynamische Festigkeit, Elastizitätsmodul und Solidustemperatur) ergeben, Das als Legierung für Laufbuchsen von Zylindern bekannte Material AlSi25Cu4Mg, auch unter dem Markennamen DISPAL®S260 bekannt, ist aus Vergleichsgründen mit aufgelistet.
    • 1) Statische Festigkeit:
  • Wie gepresst bei RT geprüft T6
    bei RT geprüft    		 Wie gepresst bei 200°C geprüft T6
    bei 200°C geprüft
    Rp0.2 (MPa) Rm (MPa) A5 (%) Rp0.2 (MPa) Rm (Mpa) A5 (%) Rp0.2 (MPa) Rm (MPa) A5 (%) Rp0.2 (MPa) Rm (MPa) A5 (%)
    S260 199 285 1,5 261 314 0,8 157 214 3,2 203 227 2,1
    L1 218 367 1,6 200 280 2,65
    L3 259 388 1,09 492 503 0,23
    L4 216 352 1,2 400 430 0,34 188 256 1,9 185 256 2,1
    L5 199 334 1,92 414 498 0,73 146 192 7,98 180 240 2,48
    L6 206 321 1,03 233 326 0,76 200 237 2,3
    L7 250 392 0,85 298 399 0,61 211 293 2,02 224 297 1,16
    L8 256 397 1,17 296 397 0,84 225 308 1,9 220 293 1,52
    L9 251 388 1,32 230 368 1,21 193 256 4,36 189 255 2,2
  • Bei der Zustandsangabe "wie gepresst" handelt es sich um Material, das einem üblichen Strangpress-Vorgang unterzogen wurde. Die Zustandsangabe "T6" entspricht gemäß Konvention (etwa Norm DIN EN 515) "lösungsgeglüht und warmausgelagert bis zur maximalen Festigkeit". Die gemessenen Materlaleigenscheften bedeuten gemäß üblicher Konvention (etwa Norm DIN EN 10002-1):
    • Rp0,2: Dehngrenze bei nichtproportionaler Dehnung, 0,2%.Dehngrenze.
    • Rm: Zugfestigkeit (aus Zugversuch).
    • A5: Bruchdehnung, insgesamt bis zum Bruch auftretende bleibende Dehnung bei Verwendung kurzer Proportionalzugstäbe.
    2) Dynamische Festigkeit
  • Zustand Axiale Versuchsführung, R = 0,1
    Versuchstemperatur 200°C
    Spannungsamplitude bel 5*10-6 Lastwechseln, 10% Überlebenswahrscheinlichkeit
    (MPa)
    S260 T6 33,8
    L1 Wie gepresst 63,9
    L6 T6 51,4
    L7 T6 68,2
    L8 T6 68,7
  • Vorliegend wurden nicht sämtliche der neun beispielhaften Legierungen dem dynamischen Festigkeitstest unterzogen.
    • 3) Elastizitätsmodul
  • Legierung E-Modul bei RT (GPa) E-Modul bei 200°C (GPa)
    S260 89 83
    L1 102 95
    L3 113 -
    L4 108 89
    L5 105 72
    L6 102 96
    L7 105 99
    L8 105 99
    L9 102 99
  • Dabei stammen die Werte für L3, L4, L5 und L9 aus dem Zugversuch, die übrigen Werte stammen aus der Resonanzanregung.
    • 4) Solidustemperatur
  • Legierung Solidus-Temperatur
    (Grad Celsius)
    S260 505
    L1 532
    L3 535
    L4 533
    L5 531
    L6 549
    L7 532
    L8 533
    L9 532
  • Es zeigt sich, daß insbesondere die Solidustemperatur signifikant gegenüber etwa der Legierung S260 nach oben verschoben werden konnte. Die Legierung L6, welche als einzige kein Kupfer enthält, weist eine besonders hohe Solidustemperatur auf und kann bevorzugt für entsprechende Anforderungen verwendet werden.
  • Eingießversuche haben zudem gezeigt, daß bei sämtlichen der Legierungen ein im Vergleich zu S260 verbessertes Verzugsverhalten vorlag. Keine der Legierungen zeigte ein Durchschmelzen oder Ausbeulen der Eingießteile. Eine nachteilige Vergröberung der Si-Partikel durch die beim Eingießen stattfindende Temperaturerhöhung und/oder bei einer anschließenden Wärmebehandlung konnte wirkungsvoll verringert werden.
  • Eingießversuche zu den bevorzugten beispielhaften Legierungen wurden mit der Zielrichtung vorgenommen, die Legierungen für eingegossene ZylinderLaufbuchsen von Verbrennungsmotoren zu verwenden. Aufgrund der guten thermischen und mechanischen Eigenschaften sind aber auch andere Verwendungen, insbesondere im Bereich von Verbrennungsmotoren, etwa für Pleuelstangen, Kolben oder Zylinderköpfe, vorteilhaft.

Claims (6)

  1. Legierung auf Basis von Aluminium, die zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen für Verbrennungsmotoren geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus der Gruppe von Legierungen L1 und L3 bis L9 ausgewählt ist, die in Gewichtsprozent bestehen aus Si Fe Cu Mn Mg Cr Ti Ni Co Zr Sb L1 25 2,5 2,5 - 0.5 - 0,15 2,5 0,3 - - L3 25 4 1.5 0,5 0,5 0,3 0,25 3 - - - L4 25 2,5 5 - - - 0.5 2 0,5 0,4 - L5 25 1.5 5 - - 0,3 0,25 2 0,3 0,4 0,4 L6 25 4 - - 0,5 0,3 0,15 3 - 0,2 - L7 25 3,5 1 - 0,5 0,3 0,15 3 0,5 0,2 - L8 25 3,5 1 0,5 0,5 0,3 0,15 3 - 0,2 - L9 25 3,5 1 0,5 - 0,3 0,15 3 - 0,2 -
    sowie Rest Aluminium, wobei weitere Bestandteile höchstens als Verunreinigungen vorliegen.
  2. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Herstellen der Legierung mittels Sprühkompaktieren.
  3. Formteil, bestehend aus einer Legierung nach Anspruch 1 oder 2.
  4. Formteil nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Herstellung des Formteils mittels Sprühkompaktieren.
  5. Verbundgussteil dadurch gekennzeichnet, dass das Gussteil ein als Zylinder-Laufbuchse für einen Verbrennungsmotor ausgebildetes Formteil nach Anspruch 3 oder 4 umfaßt.
  6. Verbundgussteil, dadurch gekennzeichnet, daß das Gussteil ein als Kolben für einen Verbrennungsmotor ausgebildetes Formteil nach Anspruch 3 oder 4 umfaßt.
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