EP2920334A1 - Verfahren zur herstellung eines motorbauteils, motorbauteil und verwendung einer aluminiumlegierung - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines motorbauteils, motorbauteil und verwendung einer aluminiumlegierung

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EP2920334A1
EP2920334A1 EP13798957.0A EP13798957A EP2920334A1 EP 2920334 A1 EP2920334 A1 EP 2920334A1 EP 13798957 A EP13798957 A EP 13798957A EP 2920334 A1 EP2920334 A1 EP 2920334A1
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EP
European Patent Office
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weight
aluminum alloy
silicon
iron
engine component
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EP13798957.0A
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Roman Morgenstern
Klaus Lades
Scott Kenningley
Philipp Koch
Robert Willard
Rainer Weiss
Isabella Sobota
Martin Popp
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Federal Mogul Nuernberg GmbH
Original Assignee
Federal Mogul Nuernberg GmbH
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Publication date
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D21/00—Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
    • B22D21/002—Castings of light metals
    • B22D21/007—Castings of light metals with low melting point, e.g. Al 659 degrees C, Mg 650 degrees C
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D23/00—Casting processes not provided for in groups B22D1/00 - B22D21/00
    • 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
    • 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
    • C22C21/04—Modified aluminium-silicon alloys
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0084—Pistons  the pistons being constructed from specific materials

Definitions

  • the present invention relates to a method for
  • Aluminum alloy is cast by gravity die casting, an engine component, which consists at least partially of an aluminum alloy, and the use of an aluminum alloy for producing such
  • Combustion temperatures and combustion pressures can be used, which is essentially by always
  • a piston for an internal combustion engine must have a high heat resistance and at the same time be as light and strong as possible. It is of particular importance how the microstructural distribution, morphology, composition and thermal stability of highly heat-resistant phases are formed. An optimization in this regard usually takes into account a minimum content of pores and oxide inclusions.
  • the material sought must be both in terms of isothermal fatigue strength (HCF) and in terms of
  • thermomechanical fatigue strength (TMF) optimized become.
  • TMF thermomechanical fatigue strength
  • the described aluminum alloy comprises 8.0 to 10.0% by weight of silicon, 0.8 to 2.0% by weight of magnesium, 4.0 to 5.9% by weight of copper, 1.0 to 3.0 Wt% nickel, 0.2-0.4 wt% manganese, less than 0.5 wt% iron, and at least one element selected from antimony, zirconium, titanium, strontium, cobalt, chromium, and vanadium wherein at least one of these elements is present in an amount of> 0.3% by weight, the sum of these elements being ⁇ 0.8% by weight.
  • EP 0 924 310 Bl describes an aluminum-silicon alloy which has its application in the production of pistons, in particular for pistons in internal combustion engines.
  • the aluminum alloy has the following composition: 10.5 to 13.5% by weight of silicon, 2.0 to less than 4.0% by weight of copper 0.8 to 1.5% by weight of magnesium, 0, 5 to 2.0% by weight of nickel, 0.3 to 0.9% by weight of cobalt, at least 20 ppm
  • Phosphorus and either 0.05 to 0.2% by weight of titanium or up to 0.2% by weight of zirconium and / or up to 0.2% by weight of vanadium and balance aluminum and unavoidable impurities.
  • WO 00/71767 A1 describes an aluminum alloy suitable for high temperature applications, e.g.
  • the aluminum alloy is composed of the following elements: 6.0 to 14.0% by weight
  • Silicon 3.0 to 8.0% by weight of copper, 0.01 to 0.8% by weight of iron, 0.5 to 1.5% by weight of magnesium, 0.05 to 1.2% by weight.
  • % Nickel 0.01 to 1.0% by weight manganese, 0.05 to 1.2% by weight
  • Titanium 0.05 to 1.2% by weight zirconium, 0.05 to 1.2% by weight vanadium, 0.001 to 0.10% by weight strontium and the remainder
  • Cast aluminum alloy contains: 0.2 or less wt%
  • Phosphorus from 0.02 to 0.3% by weight of zirconium and balance
  • the size of a non-metallic inclusion present within the bulb is less than 100 ⁇ , ⁇ .
  • EP 1 975 262 B1 describes an aluminum casting alloy consisting of: 6 to 9% silicon, 1.2 to 2.5% copper, 0.2 to 0.6% magnesium, 0.2 to 3% nickel, 0.1 to 0.7% iron, 0.1 to 0.3% titanium, 0.03 to 0.5% zirconium, 0.1 to 0.7% manganese, 0.01 to 0.5% vanadium and one or more of the following elements: strontium 0.003 to 0.05%, antimony 0.02-0.2% and sodium 0.001-0.03%, the total amount of titanium and zirconium being less than 0.5% and
  • Aluminum and unavoidable impurities make up the remainder when the total amount is taken as 100 mass percent.
  • WO 2010/025919 A2 describes a method for
  • the invention provides that the copper content is at most 5.5% of the aluminum-silicon alloy and that the aluminum-silicon alloy portions of titanium (Ti), zirconium (Zr), chromium (Cr) or vanadium (V) are admixed and the sum of all ingredients is 100%.
  • the application DE 102011083969 relates to a method for producing an engine component, in particular a piston for an internal combustion engine, in which an aluminum alloy is poured by gravity die casting method, an engine component, at least partially from a
  • the aluminum alloy for producing an engine component.
  • the aluminum alloy has the following alloying elements: 6 to 10 wt .-% silicon, 1.2 to 2 wt .-% nickel, 8 to 10 wt .-% copper, 0.5 to 1.5 wt .-% magnesium , 0.1 to 0.7% by weight of iron, 0.1 to 0.4% by weight of manganese, 0.2 to 0.4% by weight of zirconium, 0.1 to 0.3% by weight Vanadium, 0.1 to 0.5 wt -.% Titanium and aluminum and avoidable impurities as the remainder.
  • this alloy has a phosphorus content of less than 30 ppm. Presentation of the invention
  • An object of the present invention is to provide a method for producing an engine component, in particular a piston for an internal combustion engine, in which an aluminum alloy in
  • Gravity die casting process is poured off, so that a highly heat resistant engine component in the
  • Another object of the invention is a
  • Engine component in particular a piston for a
  • Combustion engine to provide, which is the highest heat resistant and at least partially from a
  • Nickel > 2.0% by weight - -% to ⁇ 3.5% by weight -%
  • Cobalt up to ⁇ 1% by weight
  • Magnesium 0, 5 Gew. -% to 1, 5 Gew. -%,
  • Zirconium > 0.1% by weight - -% to ⁇ 0.2% by weight
  • Vanadium > 0.1% by weight to ⁇ 0.2% by weight
  • Titanium 0.05% by weight to ⁇ 0.2% by weight
  • the aluminum alloy has from> about 9 to about 10.5, more preferably ⁇ about 10, more preferably ⁇ about 9.5, or even more preferably from about 9.5 to about 10.5 weight percent silicon; from> about 2.3, more preferably> about 3 to ⁇ about 3.5 or more preferably from about 2.5, more preferably from about 2.9 to about 3 weight percent nickel; from> about 3.8, more preferably> about 4 and especially preferably> about 4.8 to about 5.2 or more preferably from> about 3.7 to about ⁇ 5, more preferably ⁇ 4 or even more preferably about 4, especially preferably about 4.1 to about 4.6% by weight copper; from> about 0.5 and more preferably> about 0.9 to ⁇ about 1 wt% cobalt; from about 0.5 and more preferably> about 0.6 and especially about 0.7 to ⁇ about 1.5, more preferably ⁇ about 0.8 or more preferably from> about 1, more preferably> about 1.3 to about 1, 5% by weight of magnesium; from> about 0.5, more preferably> about 0.6 to about 0.7, or
  • the selected aluminum alloy it is possible in the gravity die casting process, an engine component
  • the alloy according to the invention in particular the
  • Gravity die casting process can be produced.
  • Zirconium, vanadium and titanium provide an advantageous proportion of strength enhancing precipitates without, however, causing large plate-shaped intermetallic phases. Furthermore, the proportions of cobalt and nickel according to the invention are advantageous for increasing the
  • the aluminum alloy preferably comprises from 0.6% to 0.8% by weight of magnesium, which in the preferred
  • the alloy has alternatively or additionally
  • Adhesive tendency of the alloy in the casting mold advantageously reduced, wherein in the said concentration range, the formation of plate-shaped phases remains limited.
  • Manganese in the aluminum alloy is at most about 5: 1, preferably about 2.5: 1. In this embodiment, the
  • Aluminum alloy so at most five parts of iron to one part of manganese, preferably about 2.5 parts of iron over a part of manganese. By this ratio particularly advantageous strength properties of the engine component can be achieved.
  • the sum of nickel and cobalt is> 2.0 wt% and ⁇ 3.8 wt%.
  • the lower limit ensures an advantageous strength of the alloy and the upper limit advantageously ensures a fine microstructure and avoids the formation of coarse, plate-shaped phases which would reduce the strength.
  • the aluminum alloy has a fine
  • a low content of pores is preferably to be understood as meaning a porosity of ⁇ 0.01% and less than a few primary silicon ⁇ 1%.
  • the fine microstructure advantageously characterized in that the average length of the primary silicon about ⁇ 5 ⁇ and whose maximum length is about ⁇ 10 ⁇ and the intermetallic phases and / or primary precipitates have lengths of on average about ⁇ 30 ⁇ and a maximum ⁇ 50 ⁇ ,
  • the aluminum alloy in particular in the trough edge region, has an average value of an area of silicon precipitates ⁇ about 100 ⁇ m 2 and / or an average value of an area of the intermetallic phases ⁇ about 200 ⁇ m 2 .
  • Aluminum alloy is preferably carried out by quantitative microstructure analysis. For this purpose, first a metallographic cut is made and micrographically corresponding micrographs are recorded, in particular for the technologically particularly important bowl rim area. By way of example, an inverted reflected-light microscope can be used for this purpose. Thus, at a defined magnification, individual images are taken, compiled by computer into a surface (for example 5.5 mm ⁇ 4.1 mm) and the areas and surface portions of specific phases determined by means of image processing software.
  • the fine microstructure contributes in particular to the improvement of the thermomechanical fatigue strength.
  • An engine component according to the invention exists at least
  • Another independent aspect of the invention resides in the use of the above-described aluminum alloy for the manufacture of an engine component, in particular a piston of an internal combustion engine.
  • the found Aluminum alloy processed by gravity die casting process.
  • vanadium 0.12% by weight of titanium and 0.006% by weight of phosphorus and an alloy 3 containing 9.5% by weight of silicon; 2.5% by weight nickel; 4.6% by weight of copper; 0.7% by weight of magnesium; 0.45% by weight of iron; 0.2% by weight of manganese; 0.19 wt% zirconium; 0.14% by weight
  • vanadium 0.11 wt .-% titanium and 0.005 wt .-% phosphorus and in each case as the balance aluminum and unavoidable

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor beschrieben, bei dem eine Aluminiumlegierung im Schwerkraftkokillengussverfahren abgegossen wird und wobei die Aluminiumlegierung als Legierungselemente 9 bis ≤ 10,5 Gew.-% Silizium, > 2,0 bis < 3,5 Gew.-% Nickel, > 3,7 bis 5,2 Gew.-% Kupfer, < 1 Gew.-% Kobalt, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Magnesium, 0,1 bis 0,7 Gew.-% Eisen, 0,1 bis 0,4 Gew.-% Mangan, > 0,1 bis < 0,2 Gew.-% Zirkonium, > 0,1 bis < 0,2 Gew.-% Vanadium, 0,05 bis < 0,2 Gew. -% Titan, 0,004 bis 0,008 Gew.-% Phosphor und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweist. Ferner beschreibt die Erfindung ein Motorbauteil, insbesondere eine Kolben für einen Verbrennungsmotor, wobei das Motorbauteil zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung besteht und die Verwendung einer Aluminiumlegierung zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens eines Verbrennungsmotors.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, Motorbauteil und Verwendung einer Aluminiumlegierung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung und Verwendung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem eine
Aluminiumlegierung im Schwerkraftkokillengussverfahren abgegossen wird, ein Motorbauteil, das zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung besteht, und die Verwendung einer Aluminiumlegierung zur Herstellung eines solchen
Motorbauteils .
Stand der Technik
In den letzten Jahren wurden zunehmend Forderungen nach besonders ökonomischen und damit ökologischen
Transportmitteln laut, die hohen Verbrauchs- und
Emissionsanforderungen gerecht werden müssen. Zudem besteht jeher das Bedürfnis, Motoren möglichst leistungsfähig und verbrauchsarm zu gestalten. Ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung von leistungsfähigen und emissionsarmen
Verbrennungsmotoren sind Kolben, die bei immer höheren
Verbrennungstemperaturen und Verbrennungsdrücken eingesetzt werden können, was im Wesentlichen durch immer
leistungsfähigere Kolbenwerkstoffe ermöglicht wird.
Grundsätzlich muss ein Kolben für einen Verbrennungsmotor eine hohe Warmfestigkeit aufweisen und dabei gleichzeitig möglichst leicht und fest sein. Dabei ist es von besonderer Bedeutung, wie die mikrostrukturelle Verteilung, Morphologie, Zusammensetzung und thermische Stabilität höchstwarmfester Phasen ausgebildet sind. Eine diesbezügliche Optimierung berücksichtigt üblicherweise einen minimalen Gehalt an Poren und oxidischen Einschlüssen.
Der gesuchte Werkstoff muss sowohl hinsichtlich isothermer Schwingfestigkeit (HCF) als auch hinsichtlich
thermomechanischer Ermüdungsfestigkeit (TMF) optimiert werden. Um die TMF optimal auszugestalten ist stets eine möglichst feine Mikrostruktur des Werkstoffs anzustreben. Eine feine Mikrostruktur reduziert die Gefahr des Entstehens von Mikroplastizität bzw. von Mikrorissen an relativ großen primären Phasen (insbesondere an primären
Siliziumausscheidungen) und damit auch die Gefahr von
Rissinitiierung und -ausbreitung .
Unter TMF-Beanspruchung treten an relativ großen primären Phasen, insbesondere an primären Siliziumausscheidungen, aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Bestandteile der Legierung, nämlich der Matrix und der primären Phasen, Mikroplastizitäten bzw. Mikrorisse auf, welche die Lebensdauer des Kolbenwerkstoffs erheblich senken können. Zur Erhöhung der Lebensdauer ist bekannt, die
primären Phasen möglichst klein zu halten.
Beim verwendeten Schwerkraftkokillenguss gibt es eine
Konzentrationsobergrenze, bis zu der Legierungselemente eingebracht werden sollten und bei deren Überschreiten die Gießbarkeit der Legierung verringert oder Gießen unmöglich wird. Darüber hinaus kommt es bei zu hohen Konzentrationen von festigkeitssteigernden Elementen zur Bildung großer plattenförmiger intermetallischer Phasen, welche die
Ermüdungsfestigkeit drastisch absenken.
Die DE 44 04 420 AI beschreibt eine Legierung die
insbesondere für Kolben und für Bauteile verwendet werden kann, die hohen Temperaturen ausgesetzt werden und mechanisch stark beansprucht werden. Die beschriebene Aluminiumlegierung umfasst 8,0 bis 10,0 Gew.-% Silizium, 0,8 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. -% Eisen sowie mindestens ein Element, ausgewählt aus Antimon, Zirkonium, Titan, Strontium, Kobalt, Chrom, und Vanadium, wobei mindestens eines dieser Elemente in einer Menge von >0,3 Gew.-% vorhanden ist wobei die Summe dieser Elemente <0,8 Gew.-% ist. Die EP 0 924 310 Bl beschreibt eine Aluminium- Siliziumlegierung die ihre Anwendung in der Herstellung von Kolben, insbesondere für Kolben in Brennkraftmaschinen hat. Die Aluminiumlegierung weist die folgende Zusammensetzung auf: 10,5 bis 13,5 Gew.-% Silizium, 2,0 bis weniger als 4,0 Gew.-% Kupfer 0,8 bis 1,5 Gew.-% Magnesium, 0,5 bis 2,0 Gew.- % Nickel, 0,3 bis 0,9 Gew.-% Kobalt, wenigstens 20 ppm
Phosphor und entweder 0,05 bis 0,2 Gew.-% Titan oder bis zu 0,2 Gew.-% Zirkonium und/oder bis zu 0,2 Gew.-% Vanadium und als Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.
Die WO 00/71767 AI beschreibt eine Aluminiumlegierung die geeignet für Hochtemperaturanwendungen ist, wie z.B.
hochbelastete Kolben oder andere Anwendungen in
Brennkraftmaschinen. Die Aluminiumlegierung setzt sich dabei aus folgenden Elementen zusammen: 6,0 bis 14,0 Gew.-%
Silizium, 3,0 bis 8,0 Gew. -% Kupfer, 0,01 bis 0,8 Gew.-% Eisen, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Magnesium, 0,05 bis 1,2 Gew.-% Nickel, 0,01 bis 1,0 Gew.-% Mangan, 0,05 bis 1,2 Gew. -%
Titan, 0,05 bis 1,2 Gew. -% Zirkonium, 0,05 bis 1,2 Gew.-% Vanadium, 0,001 bis 0,10 Gew.-% Strontium und als Rest
Aluminium .
Die DE 103 33 103 B4 beschreibt einen Kolben der aus einer Aluminiumgusslegierung gefertigt ist, wobei die
Aluminiumgusslegierung enthält: 0,2 oder weniger Gew.-%
Magnesium, 0,05 bis 0,3 Masse% Titan, 10 bis 21 Gew.-%
Silizium, 2 bis 3,5 Gew.-% Kupfer, 0,1 bis 0,7 Gew.-%
Eisen, 1 bis 3 Gew.-% Nickel, 0,001 bis 0,02 Gew.-%
Phosphor, 0,02 bis 0,3 Gew. -% Zirkonium und als Rest
Aluminium und Verunreinigungen. Weiter wird beschrieben, dass die Größe von einem nicht-metallischen Einschluss, der innerhalb des Kolbens vorhanden ist, geringer als 100 μ,πι ist.
Die EP 1 975 262 Bl beschreibt eine Aluminiumgusslegierung bestehend aus: 6 bis 9 % Silizium, 1,2 bis 2,5 % Kupfer, 0,2 bis 0,6 % Magnesium, 0,2 bis 3 % Nickel, 0,1 bis 0,7 % Eisen, 0,1 bis 0,3 % Titan, 0,03 bis 0,5 % Zirkonium, 0,1 bis 0,7 % Mangan, 0,01 bis 0,5 % Vanadium und einem oder mehreren der folgenden Elemente: Strontium 0,003 bis 0,05 %, Antimon 0,02 bis 0,2 % und Natrium 0,001 bis 0,03 %, wobei die Gesamtmenge aus Titan und Zirkonium weniger als 0,5 % beträgt und
Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen den Rest bilden, wenn die Gesamtmenge als 100 Massenprozent angesetzt wird.
Die WO 2010/025919 A2 beschreibt ein Verfahren zur
Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, wobei ein Kolbenrohling aus einer Aluminium-Siliziumlegierung unter Zugabe von Kupferanteilen gegossen und danach fertig
bearbeitet wird. Die Erfindung sieht dabei vor, dass der Kupferanteil maximal 5,5 % der Aluminium-Siliziumlegierung beträgt und, dass der Aluminium-Siliziumlegierung Anteile von Titan (Ti) , Zirkonium (Zr) , Chrom (Cr) bzw. Vanadium (V) beigemischt werden und die Summe aller Bestandteile 100 % beträgt .
Die Anmeldung DE 102011083969 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem eine Aluminiumlegierung im Schwerkraftkokillengussverfahren abgegossen wird, ein Motorbauteil, das zumindest teilweise aus einer
Aluminiumlegierung besteht, und die Verwendung einer
Aluminiumlegierung zur Herstellung eines Motorbauteils. Dabei weist die Aluminiumlegierung die folgenden Legierungselemente auf: 6 bis 10 Gew.-% Silizium, 1,2 bis 2 Gew.-% Nickel, 8 bis 10 Gew.-% Kupfer, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Magnesium, 0,1 bis 0,7 Gew.-% Eisen, 0,1 bis 0,4 Gew.-% Mangan, 0,2 bis 0,4 Gew. -% Zirkonium, 0,1 bis 0,3 Gew-% Vanadium, 0,1 bis 0,5 Gew. -% Titan und Aluminium sowie vermeidbare Verunreinigungen als Rest. Vorzugsweise weist diese Legierung einen Phosphorgehalt von weniger als 30 ppm auf. Darstellung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, bei dem eine Aluminiumlegierung im
Schwerkraftkokillengussverfahren abgegossen wird, so dass ein höchstwarmfestes Motorbauteil im
Schwerkraftkokillengussverfahren hergestellt werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe wird durch das Verfahren nach
Anspruch 1 gegeben. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den diesbezüglichen
Unteransprüchen .
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein
Motorbauteil, insbesondere einen Kolben für einen
Verbrennungsmotor, bereitzustellen, das/der höchstwarmfest ist und dabei zumindest teilweise aus einer
Aluminiumlegierung besteht.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 8 gelöst und weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den diesbezüglichen Unteransprüchen.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren weist die
Aluminiumlegierung die folgenden Legierungselemente :
Silizium: 9 Gew bis < 10,5 Gew -%,
Nickel : > 2,0 Gew. - -% bis < 3 , 5 Gew. - -%,
Kupfer: > 3, 7 Gew. - bis 5, 2 Gew. -% ,
Kobalt : bis < 1 Gew.-%
Magnesium: 0 , 5 Gew. - % bis 1, 5 Gew. - % ,
Eisen: 0 , 1 Gew . - % bis o, 7 Gew. -% ,
Mangan: 0 , 1 Gew. -% bis o, 4 Gew. -% ,
Zirkonium: > 0,1 Gew. - -% bis < 0,2 Gew.-
Vanadium: > 0,1 Gew. - bis < 0 , 2 Gew. -
Titan: 0,05 Gew.-% bis < 0,2 Gew.- -%,
Phosphor : 0, 004 Gew. - bis o, 008 Gew.- und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende
Verunreinigungen, auf.
Bevorzugt weist die Aluminiumlegierung: von > etwa 9 bis ^ etwa 10,5 weiter bevorzugt < etwa 10 insbesondere bevorzugt < etwa 9,5 oder weiter bevorzugt von etwa 9,5 bis etwa 10,5 Gew.-% Silizium; von > etwa 2,3 weiter bevorzugt > etwa 3 bis < etwa 3,5 oder weiter bevorzugt von etwa 2,5 insbesondere bevorzugt etwa 2,9 bis etwa 3 Gew.-% Nickel; von > etwa 3,8 weiter bevorzugt > etwa 4 und insbesondere bevorzugt > etwa 4,8 bis etwa 5,2 oder weiter bevorzugt von > etwa 3,7 bis etwa < 5 insbesondere bevorzugt < 4 oder weiter bevorzugt von etwa 4 insbesondere bevorzugt etwa 4,1 bis etwa 4,6 Gew.-% Kupfer; von > etwa 0,5 und weiter bevorzugt > etwa 0,9 bis < etwa 1 Gew.-% Kobalt; von etwa 0,5 und weiter bevorzugt > etwa 0,6 und insbesondere etwa 0,7 bis < etwa 1,5 weiter bevorzugt < etwa 0,8 oder weiter bevorzugt von > etwa 1 weiter bevorzugt > etwa 1,3 bis etwa 1,5 Gew.-% Magnesium; von > etwa 0,5 weiter bevorzugt > etwa 0,6 bis etwa 0,7 oder weiter bevorzugt etwa 0,45 bis etwa 0,5 Gew.-% Eisen; von etwa 0,1 bis < etwa 0,2 oder weiter bevorzugt von > etwa 0,25 bis etwa 0,4 Gew.-% Mangan; von etwa 0,12 weiter bevorzugt etwa 0,13 bis etwa 0,19 Gew.-% Zirkonium; von etwa 0,12 bis etwa 0,14 Gew.-% Vanadium; von etwa 0,05 bis < etwa 0,15 oder weiter bevorzugt von etwa 0,11 insbesondere bevorzugt etwa 0,12 bis etwa 0,13 Gew. -% Titan; und von etwa 0,005 bis etwa 0,006 Gew.-% Phosphor, auf.
Durch die gewählte Aluminiumlegierung ist es möglich, im Schwerkraftkokillengussverfahren ein Motorbauteil
herzustellen, das einen hohen Anteil fein verteilter, hochwarmfester, thermisch stabiler Phasen und eine feine Mikrostruktur aufweist. Die Anfälligkeit gegenüber
Rissinitiierung und Rissausbreitung z.B. an Oxiden oder primären Phasen und die TMF-HCF-Lebensdauer wird durch die Wahl der erfindungsgemäßen Legierung gegenüber den bisher bekannten Herstellungsverfahren von Kolben und ähnlichen Motorbauteilen reduziert.
Die erfindungsgemäße Legierung, insbesondere der
vergleichsweise geringe Siliziumgehalt, führt auch dazu, dass zumindest bei einem erfindungsgemäß hergestellten Kolben in dessen thermisch hochbelastetem Muldenrandbereich
vergleichsweise weniger und feineres primäres Silizium vorliegt, sodass die Legierung zu besonders guten
Eigenschaften eines erfindungsgemäß hergestellten Kolbens führt. Somit kann ein höchstwarmfestes Motorbauteil im
Schwerkraftkokillengussverfahren hergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Anteile an Kupfer, Zirkonium, Vanadium und Titan, insbesondere der vergleichsweise hohe Gehalt an
Zirkonium, Vanadium und Titan bewirken einen vorteilhaften Anteil festigkeitssteigernder Ausscheidungen, ohne dabei jedoch große plattenförmige intermetallische Phasen zu verursachen. Ferner sind die erfindungsgemäßen Anteile an Kobalt und Nickel vorteilhaft für die Steigerung der
Warmfestigkeit der Legierung. Nickel trägt dabei zur
Ausbildung thermisch stabiler intermetallischer Phasen bei. Kobalt steigert zudem die Härte und allgemein die Festigkeit der Legierung. Phosphor als Keimbildner trägt dazu bei, dass primäre Siliziumausscheidungen möglichst fein und homogen verteilt ausgeschieden werden.
Mit Vorteil weist die Aluminiumlegierung bevorzugt 0,6 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% Magnesium auf, das in dem bevorzugten
Konzentrationsbereich insbesondere zur wirkungsvollen
Ausbildung sekundärer, festigkeitssteigernder Phasen
beiträgt, ohne dass eine übermäßige Oxidbildung auftritt. Ferner weist die Legierung alternativ oder zusätzlich
bevorzugt 0,4 Gew.-% bis 0,6 Gew.-% Eisen auf, das die
Klebeneigung der Legierung in der Gießkokille vorteilhaft vermindert, wobei in dem genannten Konzentrationsbereich die Bildung plattenförmiger Phasen begrenzt bleibt.
Mit Vorteil beträgt das Gewichtsverhältnis von Eisen zu
Mangan in der Aluminiumlegierung höchstens etwa 5 : 1 bevorzugt etwa 2,5:1. In dieser Ausführungsform enthält die
Aluminiumlegierung also höchstens fünf Teile Eisen gegenüber einem Teil Mangan, bevorzugt etwa 2,5 Teile Eisen gegenüber einem Teil Mangan. Durch dieses Verhältnis werden besonders vorteilhafte Festigkeitseigenschaften des Motorbauteils erzielt .
Ferner ist es bevorzugt, dass die Summe aus Nickel und Kobalt > 2,0 Gew.-% und < 3,8 Gew.-% beträgt. Die untere Grenze stellt dabei eine vorteilhafte Festigkeit der Legierung sicher und die obere Grenze gewährleistet mit Vorteil eine feine Mikrostruktur und vermeidet die Bildung grober, plattenförmiger Phasen, welche die Festigkeit verringern würden .
Mit Vorteil weist die Aluminiumlegierung eine feine
Mikrostruktur mit einem geringen Gehalt von Poren und
Einschlüssen und/oder wenig und kleines primäres Silizium, insbesondere im hochbelasteten Muldenrandbereich, auf. Dabei ist unter einem geringen Gehalt von Poren vorzugsweise eine Porosität von < 0,01 % und unter wenig primärem Silizium < 1 % zu verstehen. Ferner ist die feine Mikrostruktur vorteilhaft dadurch beschrieben, dass die mittlere Länge des primären Silizium ca. < 5 μπι und dessen maximale Länge ca. < 10 μτη beträgt und die intermetallischen Phasen und/oder primären Ausscheidungen Längen von im Mittel ca. < 30 μτα und maximal < 50 μπι aufweisen.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Aluminiumlegierung, insbesondere im Muldenrandbereich, einen Mittelwert einer Fläche von Siliziumausscheidungen < etwa 100 μτη2 und/oder einen Mittelwert einer Fläche der intermetallischen Phasen < etwa 200 μπι2 aufweist.
Die Charakterisierung der Mikrostruktur der
Aluminiumlegierung erfolgt bevorzugt mittels quantitativer Gefügeanalyse . Dafür wird zunächst ein metallographischer Schliff angefertigt und lichtmikroskopisch entsprechende Schliffbilder , insbesondere für den technologisch besonders wichtigen Muldenrandbereich, aufgezeichnet. Beispielhaft kann dafür ein inverses Auflichtmikroskop verwendet werden. Damit werden dann, bei einer definierten Vergrößerung, Einzelbilder aufgenommen, per Computer zu einer Fläche (z.B. 5,5 mm x 4,1 mm) zusammengesetzt und mittels Bildbearbeitungssoftware die Flächen und Flächenanteile bestimmter Phasen ermittelt.
Die feine Mikrostruktur trägt insbesondere zur Verbesserung der thermomechanisehen Ermüdungsfestigkeit bei. Eine
Begrenzung der Größe der Primärphasen kann die Anfälligkeit gegen Rissinitiierung und Rissausbreitung verringern und so die TMF-HCF-Lebensdauer signifikant erhöhen. Ferner ist es auf Grund der Kerbwirkung von Poren und Einschlüssen
besonders vorteilhaft deren Gehalt gering zu halten.
Ein erfindungsgemäßes Motorbauteil besteht zumindest
teilweise aus einer der oben genannten Aluminiumlegierungen. Ein weiterer unabhängiger Aspekt der Erfindung liegt in der Verwendung der oben ausgeführten Aluminiumlegierung für die Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens eines Verbrennungsmotors . Insbesondere wird die aufgefundene Aluminiumlegierung dabei im Schwerkraftkokillengussverfahren verarbeitet .
Beispiele
Für die oben beschriebene Aluminiumlegierung seien
beispielhaft eine Legierung 1 mit 10,5 Gew. -% Silizium; 3 Gew.-% Nickel; 4,1 Gew.-% Kupfer; 0,7 Gew.-% Magnesium; 0,5 Gew.-% Eisen; 0,2 Gew. -% Mangan; 0,13 Gew.-% Zirkonium; 0,12 Gew.-% Vanadium; 0,13 Gew.-% Titan und 0,006 Gew.-% Phosphor, eine Legierung 2 mit 9,5 Gew.-% Silizium; 2,9 Gew.-% Nickel; 4,0 Gew.-% Kupfer; 0,7 Gew. -% Magnesium; 0,45 Gew.-% Eisen; 0,2 Gew.-% Mangan; 0,12 Gew.-% Zirkonium; 0,12 Gew.-%
Vanadium; 0,12 Gew.-% Titan und 0,006 Gew.-% Phosphor und eine Legierung 3 mit 9,5 Gew.-% Silizium; 2,5 Gew.-% Nickel; 4,6 Gew.-% Kupfer; 0,7 Gew.-% Magnesium; 0,45 Gew.-% Eisen; 0,2 Gew.-% Mangan; 0,19 Gew.-% Zirkonium; 0,14 Gew.-%
Vanadium; 0,11 Gew.-% Titan und 0,005 Gew.-% Phosphor und jeweils als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende
Verunreinigungen, genannt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils,
insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem eine Aluminiumlegierung im
Schwerkraftkokillengussverfahren abgegossen wird,
wobei die Aluminiumlegierung die folgenden
Legierungselemente :
Silizium : 9 Gew. -% bis < 10,5 Gew. -%,
Nickel : > 2,0 Gew . bis < 3,5 Gew. -
Kupfer: > 3,7 Gew . bis 5 , 2 Gew . - % ,
Kobalt : bis < 1 Gew . - %
Magnesium: 0 , 5 Gew. -% bis 1,5 Gew.-%,
Eisen: 0 , 1 Gew . -% bis 0 , 7 Gew. -% ,
Mangan: 0 , 1 Gew . -% bis 0 , 4 Gew . -% ,
Zirkonium: > 0,1 Gew . -% bis < 0,2 Gew.-
Vanadium : > 0,1 Gew . -% bis < 0,2 Gew.- %,
Titan: 0,05 Gew.- % bis < 0,2 Gew.-
Phosphor : 0,004 Gew. -% bis 0,008 Gew.- und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende
Verunreinigungen aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Aluminiumlegierung bevorzugt 0,6 Gew. -% bis 0,8 Gew.-% Magnesium aufweist.
3. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 2, wobei die Aluminiumlegierung bevorzugt 0,4 Gew. -% bis 0,6 Gew.-% Eisen aufweist.
4. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3, wobei in der Aluminiumlegierung ein Gewichtsverhältnis von Eisen zu Mangan höchstens etwa 5:1, bevorzugt das
Gewichtsverhältnis von Eisen zu Mangan etwa 2,5:1 beträgt.
5. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Summe aus Nickel und Kobalt bevorzugt > 2,0 Gew.-% und < 3,8 Gew.-% beträgt.
6. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 5, wobei die Aluminiumlegierung eine feine Mikrostruktur mit einem geringen Gehalt von Poren und Einschlüssen und/ode wenig und kleines primäres Silizium, insbesondere im
Muldenrandbereich, aufweist, wobei die Porosität < 0,01 % und/oder der Gehalt an primärem Silizium < 1 % beträgt, wobe das primäre Silizium Längen von im Mittel < 5 μπι und/oder maximale Längen < 10 μιη aufweist, und die intermetallischen Phasen und/oder primären Ausscheidungen Längen von im Mittel < 30 μπι und/oder maximale Längen < 50 μιη aufweisen.
7. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 6, wobei die Aluminiumlegierung, insbesondere im
Muldenrandbereich, einen Mittelwert einer Fläche von
Siliziumausscheidungen < etwa 100 μιη2 und/oder einen
Mittelwert einer Fläche der intermetallischen Phasen < etwa 200 μτ 2 aufweist.
8. Motorbauteil, insbesondere Kolben für einen
Verbrennungsmotor, das zumindest teilweise aus einer
Aluminiumlegierung besteht,
wobei die Aluminiumlegierung die folgenden
Legierungselemente :
Silizium: 9 Gew . - % bis < 10,5 Gew. -%
Nickel : > 2,0 Gew . bis < 3,5 Gew . -
Kupfer : > 3,7 Gew . -% bis 5 , 2 Gew . - % ,
Kobalt: bis < 1 Gew.-%
Magnesium: 0 , 5 Gew . - % bis 1 , 5 Gew . - % ,
Eisen: 0 , 1 Gew . - % bis 0,7 Gew.-%,
Mangan : 0 , 1 Gew . - % bis 0,4 Gew.-%,
Zirkonium : > 0,1 Gew . bis < 0,2 Gew . -
Vanadium : > 0,1 Gew. -% bis < 0,2 Gew. - %,
Titan: 0 , 05 Gew. - bis < 0,2 Gew.- %,
Phosphor : 0,004 Gew. -% bis 0,008 Gew . - und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende
Verunreinigungen aufweist.
9. Motorbauteil gemäß Anspruch 8, wobei die
Aluminiumlegierung bevorzugt 0,6 Gew.-% bis 0,8 Gew.-%
Magnesium aufweist.
10. Motorbauteil gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 8 bis 9, wobei die Aluminiumlegierung bevorzugt 0,4 Gew. -% bis 0,6 Gew.-% Eisen aufweist.
11. Motorbauteil gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 8 bis 10, wobei in der Aluminiumlegierung ein
Gewichtsverhältnis von Eisen zu Mangan höchstens etwa 5:1, bevorzugt das Gewichtsverhältnis von Eisen zu Mangan etwa 2,5:1 beträgt .
12. Motorbauteil gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 8 bis 11, wobei eine Summe aus Nickel und Kobalt bevorzugt > 2,0 Gew.-% und < 3,8 Gew.-% betragen soll.
13. Motorbauteil gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 8 bis 12, wobei die Aluminiumlegierung eine feine Mikrostruktur mit einem geringen Gehalt von Poren und Einschlüssen und/oder wenig und kleines primäres Silizium, insbesondere im
Muldenrandbereich, aufweist, wobei die Porosität < 0,01 % und/oder der Gehalt an primärem Silizium < 1 % beträgt, wobei das primäre Silizium Längen von im Mittel < 5 μτ und/oder maximale Längen < 10 μιη aufweist, und die intermetallischen Phasen und/oder primären Ausscheidungen Längen von im Mittel
< 30 μν und/oder maximale Längen < 50 μιτι aufweisen.
14. Motorbauteil gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 8 bis 13, wobei die Aluminiumlegierung, insbesondere im
Muldenrandbereich, einen Mittelwert einer Fläche von
Siliziumausscheidungen < etwa 100 μπι2 und/oder einen
Mittelwert einer Fläche der intermetallischen Phasen < etwa 200 μπι2 aufweist.
15. Verwendung einer Aluminiumlegierung zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens eines Verbrennungsmotors ,
wobei die Aluminiumlegierung die folgenden
Legierungselemente :
Silizium: 9 Gew. -% bis < 10,5 Gew. -%
Nickel : > 2,0 Gew. o,
— "o bis < 3,5 Gew. -o,
o ,
Kupfer : > 3,7 Gew. -% bis 5 , 2 Gew . -% ,
Kobalt: bis < 1 Gew . -%
Magnesium: 0 , 5 Gew. -% bis 1 , 5 Gew . -% ,
Eisen: 0 , 1 Gew. -% bis 0 , 7 Gew. -% ,
Mangan : 0,1 Gew.-% bis 0 , 4 Gew . -%,
Zirkonium: > 0,1 Gew. g,
— 'S bis < 0,2 Gew . -o,
"o /
Vanadium: > 0,1 Gew. o, bis < 0,2 Gew . - %,
Titan: 0,05 Gew.- bis < 0,2 Gew . - "o /
Phosphor : 0,004 Gew. -% bis 0,008 Gew.- %, und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende
Verunreinigungen aufweist.
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